測定装置、形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法
【課題】凹部の内側の情報に関する測定精度を向上させる。
【解決手段】形状測定装置は、撮像素子５と、複数の光学素子を含み、撮像素子５と共役な共役面１０を、複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角の関係となるように形成する結像光学系６と、測定対象面に対して結像光学系６の少なくとも一部を移動可能な走査部と、走査部の位置情報及び撮像素子５の画像情報に基づいて、測定対象面の位置情報を取得する位置情報取得部と、を備える。
【解決手段】形状測定装置は、撮像素子５と、複数の光学素子を含み、撮像素子５と共役な共役面１０を、複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角の関係となるように形成する結像光学系６と、測定対象面に対して結像光学系６の少なくとも一部を移動可能な走査部と、走査部の位置情報及び撮像素子５の画像情報に基づいて、測定対象面の位置情報を取得する位置情報取得部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置、形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
穴や溝等の凹部の形状を非接触で測定可能な測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の測定装置は、穴の深さ方向に光を送る送光部と、穴の深さ方向と略直交する方向に光の方向を変換する変換部と、変換部で方向が変化した光のうち穴の内側で反射した光を検出する検出部とを備える。この測定装置は、例えば、検出部で検出された穴の内側の像に基づいて、穴の形状を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０２３７６７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような測定装置は、例えば検出部の解像度が不足すると、十分な測定精度が得られない可能性がある。本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、凹部の内側の情報に関する測定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様の形状測定装置は、撮像素子と、複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を、前記複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角の関係となるように形成する結像光学系と、測定対象面に対して前記結像光学系の少なくとも一部を移動可能な走査部と、前記走査部の位置情報及び前記撮像素子の画像情報に基づいて、前記測定対象面の位置情報を取得する位置情報取得部と、を備える。
【０００６】
本発明の第２の態様の測定装置は、測定対象面の位置を測定する測定装置であって、撮像素子と、複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を形成する結像光学系と、を備え、前記共役面は、前記複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角をなしている。
【０００７】
本発明の第３の態様の測定装置は、測定対象面の位置を測定する測定装置であって、撮像素子と、複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を形成する結像光学系と、前記複数の光学素子の少なくとも一部を収容し、前記複数の光学素子の配列方向に長手方向を有する鏡筒と、を備え、前記共役面は、前記鏡筒の長手方向に対して鋭角又は鈍角をなしている。
【０００８】
本発明の第４の態様の測定装置は、測定対象面の位置を測定する測定装置であって、前記測定対象面を含む物体を保持する保持部と、撮像素子と、前記保持部に対して相対的に進退可能に設けられ、複数の光学素子を含み前記測定対象面を経由した光を前記撮像素子に結像させ、前記撮像素子との共役面を前記保持部に対する進退方向に対して傾斜するように形成する結像光学系と、を備える。
【０００９】
本発明の第５の態様の形状測定方法は、凹状の測定対象面の形状を測定する形状測定方法であって、測定対象面の少なくとも一部の像を、結像光学系を介して撮像することと、前記撮像の結果に基づいて、前記測定対象面の位置情報を算出することと、を含み、前記結像光学系の像面と共役な共役面が前記測定対象面に対して鋭角又は鈍角をなしている。
【００１０】
本発明の第６の態様の構造物の製造方法は、構造物の形状に関する設計情報を作製することと、前記設計情報に基づいて前記構造物を作製することと、作製された前記構造物の形状を請求項２２に記載の形状測定方法を用いて測定することと、前記測定により得られた形状情報と前記設計情報とを比較することと、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、凹部の内側の情報に関する測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の測定装置の外観を示す図である。
【図２】第１実施形態の光学プローブの外観を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態の光学プローブの外観を示す側面図である。
【図４】第１実施形態の光学プローブの構成を示す図である。
【図５】第１実施形態の光学プローブの光路を示す図である。
【図６】（Ａ）から（Ｃ）は、第１実施形態の測定装置の撮像素子と共役面の関係を示す図である。
【図７】第２実施形態の測定装置の光路を示す図である。
【図８】第２実施形態の測定装置の撮像素子との共役面を拡大して示す図である。
【図９】（Ａ）から（Ｃ）は、第２実施形態の測定装置の撮像素子と共役面の関係を示す図である。
【図１０】第３実施形態の測定装置の光路を示す図である。
【図１１】第３実施形態の測定装置の投影パターンを示す図である。
【図１２】第４実施形態の測定装置の光路を示す図である。
【図１３】第４実施形態の走査円板を示す図である。
【図１４】第１変形例の測定装置の結像光学系の構成を示す図である。
【図１５】第１変形例の測定装置の結像光学系の光路を示す図である。
【図１６】第２変形例の測定装置の結像光学系の構成を示す図である。
【図１７】第２変形例の測定装置の結像光学系の光路を示す図である。
【図１８】第３変形例の測定装置の結像光学系の構成を示す図である。
【図１９】第３変形例の測定装置の結像光学系の光路を示す図である。
【図２０】第４変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す斜視図である。
【図２１】第４変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す側面図である。
【図２２】第５変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す斜視図である。
【図２３】第５変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す側面図である。
【図２４】第１実施例における結像光学系の光路図である。
【図２５】第１実施例における結像光学系の各収差図である。
【図２６】第５実施形態による構造物製造システムの構成を示すブロック図である。
【図２７】第５実施形態による構造物製造システムによる処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。Ｚ軸方向は、例えば鉛直方向に設定され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、例えば、水平方向に平行で互いに直交する方向に設定される。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわりの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。
【００１４】
図１は、第１実施形態の測定装置の外観を示す図である。図１に示す測定装置（形状測定装置）１Ａは、ステージ装置（走査部）２と、光学プローブ３と、制御装置（位置情報取得部）４とを備える。光学プローブ３は、後述する撮像素子５及び結像光学系６を備える。測定装置１Ａは、ステージ装置２に保持された測定対象の物体（測定対象物）Ｍの穴（凹部）Ｍａの内側を光学プローブ３によって撮像し、物体Ｍの穴Ｍａの内側の情報を測定することができる。本実施形態の測定装置１Ａは、光切断法で穴Ｍａの内側の情報を測定することができる。本実施形態において、穴Ｍａの内側の情報は、穴Ｍａの内面Ｍｂ（内周面、凹状の測定対象面）の少なくとも一部に関する形状、寸法、凹凸分布、表面粗さ、及び測定対象面上の点の位置（座標）、の少なくとも１つを含む。
【００１５】
本実施形態のステージ装置２は、アクチュエータ等を含んで構成された駆動部を備える。ステージ装置２は、物体Ｍと光学プローブ３とを保持して、物体Ｍと光学プローブ３との相対位置を駆動部によって変化させることができる。すなわち、ステージ装置２は、物体Ｍの内面Ｍｂに対して結像光学系６の少なくとも一部を移動可能である。
【００１６】
本実施形態のステージ装置２は、物体Ｍを保持する第１保持部７と、光学プローブ３を保持する第２保持部８とを備える。ステージ装置２は、物体Ｍを保持した第１保持部７に対して、光学プローブ３を保持した第２保持部８を相対的に進退させることができる。すなわち、ステージ装置２は、光学プローブ３を物体Ｍに対して進退移動させることができる。本実施形態において、制御装置４は、ステージ装置２の駆動部を制御して、光学プローブ３と物体Ｍの相対位置を制御することができる。
【００１７】
本実施形態の第１保持部７は、物体Ｍを保持してθＺ方向に回転可能である。測定対象の物体Ｍは、穴Ｍａの内側を測定時に、穴Ｍａの開口を＋Ｚ側に向けて第１保持部７に保持される。本実施形態において、穴の深さ方向（延在方向）は、穴が物体を貫通している場合に、穴の内側に沿って穴の一方の開口と他方の開口とを結ぶ方向である。また、穴の深さ方向は、穴Ｍａが物体Ｍを貫通していない場合に、穴の内側に沿って穴の開口と底部とを結ぶ方向である。本実施形態において、穴Ｍａの開口を＋Ｚ側（上方）に向けて第１保持部７に保持されている物体Ｍの穴の深さ方向は、Ｚ軸方向とほぼ平行であるとする。
【００１８】
本実施形態の第２保持部８は、第１保持部７に対して＋Ｚ側（上方）に配置されている。第２保持部８は、光学プローブ３の長手方向とＺ軸方向がほぼ一致するように取り付けられている。第２保持部８は、光学プローブ３を保持してＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各方向に移動可能である。第２保持部８が穴Ｍａの測定時にＺ軸方向に移動すると、光学プローブ３は、物体Ｍに形成された穴Ｍａの形成方向に対して進退移動する。
【００１９】
本実施形態のステージ装置２は、第２保持部８に保持されている光学プローブ３の少なくとも一部が第１保持部に保持されている物体Ｍの穴Ｍａに挿入されるように、第２保持部８を移動することができる。ステージ装置２は、第１保持部７が光学プローブ３を通すことが可能な孔部を有し、第２保持部８に保持された光学プローブ３のすくなくとも一部を、上記の孔部を通して第１保持部７よりも下方に配置可能であってもよい。
【００２０】
本実施形態の測定装置１Ａは、光学プローブ３を穴Ｍａの深さ方向に断続的又は連続的に移動しながら、穴Ｍａの深さ方向の各位置で測定することができる。すなわち、測定装置１Ａは、穴Ｍａの三次元形状に関する情報を測定することができる。
【００２１】
なお、測定装置１Ａは、穴Ｍａだけに限られず、溝（凹部）の内面（測定対象面）を測定することも可能である。測定装置１Ａは、所定の方向に延在する溝（凹部）が形成された物体に対して、溝の内面の測定を行う場合に、溝の延在方向（形成方向）に光学プローブ３を移動させることもできる。溝の延在方向は、例えばＸＹ面に平行な方向でもよいし、ＸＹ面に交差する方向でもよい。
【００２２】
なお、測定装置１Ａは、例えば溝の深さ方向の寸法が深さ方向と交差する幅方向の寸法よりも大きい場合においても、例えば深さ方向の形状分布と、幅方向及び深さ方向に交差する方向（例えば延在方向）の形状分布の少なくとも一方について、測定精度を向上されることができる。測定装置１Ａは、例えば光学プローブ３を溝の深さ方向の形状分布を測定する場合に、光学プローブ３を溝の底面に対して進退移動することで、形状を測定することができる。
【００２３】
なお、第１保持部７は、Ｚ軸方向に移動可能でもよく、この場合に第２保持部８は、Ｚ軸方向に移動可能でも移動不能でもよい。第１保持部７は、Ｘ軸方向とＹ軸方向のうちの少なくとも１方向に移動可能でもよい。第１保持部７は、θＺ方向に回転不能でもよいし、θＸ方向とθＹ方向のうちの少なくとも１方向に回転可能でもよい。第２保持部８は、Ｘ軸方向とＹ軸方向のうちの少なくとも１方向に移動不能でもよいし、θＸとθＹとθＺ方向のうちの少なくとも１方向に回転可能でもよい。
【００２４】
また、測定装置１Ａは、第１保持部７と第２保持部８の少なくとも一方を備えていなくてもよい。例えば、測定装置１Ａは、机や地面等に配置されている物体に対して、光学プローブ３を保持した第２保持部８を配置して測定を行う構成でもよいし、光学プローブ３を人力等で移動させる構成でもよい。測定装置１Ａは、ステージ装置２を備えていなくてもよいし、ステージ装置２は、測定装置１Ａの外部の装置であってもよい。
【００２５】
本実施形態の制御装置４は、測定装置１Ａの各部を制御することと、光学プローブ３の測定結果に関する画像処理や補間処理、統計処理等の各種処理を実行することができる。本実施形態の制御装置４は、ＣＰＵ等を有するコンピュータシステムと、コンピュータシステムの外部の装置との通信を実行可能なインターフェースを含む。
【００２６】
なお、制御装置４は、測定装置１Ａの各部の制御に要する各種処理を実行するＡＳＩＣ等の論理回路を含んでいてもよく、コンピュータシステムを含んでいなくてもよい。制御装置４は、制御装置４へ信号を入力可能な入力装置が接続されていてもよい。上記の入力装置は、キーボード、マウス等の入力機器、あるいはコンピュータシステムの外部の装置からのデータを入力可能な通信装置のうちの１種又は２種以上でもよい。制御装置４は、液晶表示ディスプレイ等の表示装置を含んでいてもよいし、表示装置と接続されていてもよい。制御装置４は、測定装置１Ａの外部の装置であってもよい。
【００２７】
次に、光学プローブ３について説明する。図２は、第１実施形態の光学プローブの外観を示す斜視図である。図３は、第１実施形態の光学プローブの外観を示す側面図である。図４は、第１実施形態の光学プローブの光学系の構成を示す図である。図５は、第１実施形態の光学プローブの光路を示す図である。
【００２８】
図４及び図５に示す光学プローブ３は、撮像素子５と、撮像素子５に穴Ｍａの内面Ｍｂの少なくとも一部の像を結像する結像光学系６とを備える。結像光学系６は、撮像素子５との共役面１０を穴Ｍａの深さ方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜するように形成する。
【００２９】
本実施形態の結像光学系６は、レンズ、開口絞り等の複数の光学素子を含む。本実施形態の結像光学系６において、複数の光学素子は、所定の方向（Ｚ軸方向）に沿って並ぶように配列されている。本実施形態の結像光学系６は、Ｚ軸方向と平行な軸に関して軸対称な光学系である。本実施形態において、共役面１０は、結像光学系６の対称軸を回転中心とする円錐の側面の少なくとも一部を含む。結像光学系６は、例えば複数の光学素子の配列方向（Ｚ軸方向）に深さ方向を合わせてステージ装置２に配置された穴に対して、穴と干渉することなく穴の内側に進退可能である。
【００３０】
なお、結像光学系６は、複数の光学素子のうちの１つ以上が他の光学素子の列から外れて配置されていてもよい。結像光学系６は、例えば、結像光学系６の光路の途中にミラー等の偏向部材が配置されており、この偏光部材の前段と後段とで光軸が折れ曲がっていてもよい。結像光学系６は、光学素子の配列方向が複数ある場合に、配列方向が同じである光学素子のグループにおける共役面側の光学素子から撮像面側までの光学素子までの距離（光路長）を比較して、その距離が最も長いグループの配列方向を主たる配列方向と見なすことができる。すなわち、結像光学系６に配列方向が同じであるグループが複数含まれる場合に、共役面１０は、複数のグループのうち共役面側の光学素子から撮像面側までの光学素子までの距離が最も長いグループの配列方向に対して傾斜していてもよい。また、光学プローブ３は、複数のグループのうち共役面側の光学素子から撮像面側までの光学素子までの距離が最も長いグループの配列方向に進退可能でもよい。
【００３１】
本実施形態の光学プローブ３は、光源部１１と、光源部１１からの光Ｌを物体Ｍの穴Ｍａの内面Ｍｂへ照射する照射部１２とを備える。また、本実施形態の光学プローブ３は、図２及び図３に示すように、結像光学系６の少なくとも一部を収容する筐体１３と、照射部１２の少なくとも一部を支持する支持部材１４とを備える。
【００３２】
図５に示すように、光源部１１からの光Ｌは、結像光学系６を通った後、照射部１２によって共役面１０に沿う方向へ照射される。本実施形態において、光源部１１と結像光学系６と照射部１２は、穴Ｍａの内側を照明する照明光学系を構成している。測定装置１Ａは、上記の照明光学系により照明された穴Ｍａの内面Ｍｂを結像光学系６を介して撮像素子５により撮像することによって、穴Ｍａの内側（内周面）における複数の位置の情報を一度に測定することができる。
【００３３】
本実施形態の撮像素子５は、二次元的に配列された複数の画素を有し、各画素に入射した光の光量を画素ごとに検出することができる。以下の説明において、撮像素子５の複数の画素が配列されている領域を受光領域という。撮像素子５は、例えばＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサーを含んで構成される。本実施形態において、撮像素子５によって撮像された結果を示す情報は、制御装置４へ送信される。制御装置４は、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を示す情報（走査部の位置情報）、及び撮像素子５の撮像結果を示す情報（撮像素子の画像情報）に基づいて、穴Ｍａの内面Ｍｂの情報（測定対象面の位置情報）を取得する。
【００３４】
本実施形態の光源部１１は、光源１５と、光源１５から発せられた光Ｌをコリメートするコリメータ１６と、コリメータ１６によりコリメートされた光Ｌを結像光学系６へ導くハーフミラー（導光部材）１７とを備える。
【００３５】
本実施形態の光源１５は、半導体レーザー素子を含んで構成されている。光源１５は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源、ハロゲンランプ等のランプ光源、ファイバー光源等の各種光源の１種又は２種以上を含んで構成されていてもよい。
【００３６】
ハーフミラー１７は、コリメータ１６によりコリメートされた光Ｌの少なくとも一部が反射する特性を有する。本実施形態において、ハーフミラー１７のうちコリメータ１６からの光Ｌが反射する面は、コリメータ１６の光軸に対して、ほぼ４５°の角度をなしている。なお、この面がコリメータ１６の光軸となす角度は、４５°未満でもよいし、４５°より大きくてもよい。光源１５から発せられてコリメータ１６を通った光Ｌのうち、ハーフミラー１７で反射した光Ｌは、結像光学系６へ入射する。
【００３７】
なお、光源部１１の少なくとも一部、例えば光源１５とコリメータ１６の少なくとも一方は、測定装置１Ａに含まれていなくてもよく、測定装置１Ａの外部の装置に含まれていてもよい。
【００３８】
本実施形態の結像光学系６は、複数のレンズ（光学素子）で構成される組レンズ１８と、組レンズ１８内の光路に配置された開口絞り（光学素子）１９と、偏向部材（光学素子）２０とを含む。本実施形態の結像光学系６は、軸対称な光学系である。
【００３９】
本実施形態において、組レンズ１８の各レンズは、軸対称な光学素子で構成されている。組レンズ１８のレンズは、各レンズの光軸が複数のレンズで互いにほぼ一同軸になるように、所定の方向に沿って配列されている。組レンズ１８のレンズは、開口絞り１９に関して対称的に設けられている。組レンズ１８は、物体面側（共役面１０側）と像面側（撮像素子５側）とでほぼテレセントリックな両側テレセントリック光学系を構成している。本実施形態の結像光学系６の光軸は、組レンズ１８の光軸２１とほぼ同軸である。組レンズ１８の光軸２１は、撮像素子５の受光領域に対してほぼ垂直であり、ハーフミラー１７においてコリメータ１６からの光Ｌが反射する面に対して、ほぼ４５°の角度をなしている。
【００４０】
本実施形態において、光源１５から発せられてハーフミラー１７で反射した光Ｌは、組レンズ１８の光軸２１とほぼ平行に伝播して、組レンズ１８のうち光軸２１の近傍の部分へ入射する。光源部１１から組レンズ１８へ入射した光Ｌは、開口絞り１９を通って組レンズ１８から出射し、偏向部材２０へ入射する。
【００４１】
本実施形態の偏向部材２０は、組レンズ１８の光軸２１を中心として、軸対称な形状である。本実施形態の偏向部材２０は、円錐台状であり、組レンズ１８を向く面（以下、下底面２２という）と、下底面２２とは反対側を向く面（以下、上底面２３という）と、下底面２２の外周と上底面２３の外周とを結ぶ面（以下、側面２４という）とを有する。
【００４２】
本実施形態の偏向部材２０は、光源部１１から組レンズ１８を通って入射してくる光Ｌに対して、透明な媒質で構成されている。偏向部材２０は、ガラスの研削により形成されたものでもよいし、熱可塑性樹脂による射出成形により形成されたものでもよい。
【００４３】
本実施形態において、光源部１１から出射して組レンズ１８を通った光Ｌは、偏向部材２０の下底面２２へ入射して上底面２３から出射し、照射部１２へ入射する。偏向部材２０から照射部１２へ入射した光Ｌは、照射部１２で反射して共役面１０へ沿って伝播し、穴Ｍａの内面Ｍｂのうち共役面１０と交わる部分に照射される。
【００４４】
本実施形態において、穴Ｍａの内面Ｍｂに照射された光Ｌは、その少なくとも一部が内面Ｍｂで散乱（反射）して偏向部材２０の側面２４へ入射する。穴Ｍａの内面Ｍｂから偏向部材２０の側面２４へ入射した光Ｌは、偏向部材２０の内部を通り、偏向部材２０への入射側と光軸２１を挟んで反対側の側面２４の内面側で全反射条件を満たすことにより反射する。穴Ｍａの内面Ｍｂから偏向部材２０へ入射して側面２４の内面側で反射した光Ｌは、側面２４での反射前に対して偏向し、下底面２２を通って偏向部材２０から出射する。穴Ｍａの内面Ｍｂから偏向部材２０へ入射して偏向部材２０から出射した光Ｌは、組レンズ１８及び開口絞り１９を通り、その少なくとも一部がハーフミラー１７を通って撮像素子５の受光領域で結像する。
【００４５】
このように、本実施形態の結像光学系は、光軸２１とほぼ平行な第１光路２５と、第１光路２５に対して傾斜して第１光路２５と共役面１０とを結ぶ第２光路２６とを有する。光源部１１で発せられた光Ｌは、組レンズ１８の光路の少なくとも一部を含む第１光路２５を通って照射部１２を経由し、穴Ｍａの内面Ｍｂに照射される。また、穴Ｍａの内面Ｍｂからの光Ｌは、共役面１０から偏向部材２０の側面２４の内面までの第２光路２６を通って偏向部材２０により偏向した後に、組レンズ１８内の第１光路２５を通って撮像素子５の受光領域で結像する。
【００４６】
次に、偏向部材２０と照射部について、より詳しく説明する。以下の説明において、撮像素子５の受光領域から結像光学系６へ仮想的に発せられた光を仮想光という。本実施形態において、偏向部材２０の下底面２２のうち、仮想光が組レンズ１８から入射する領域は、ほぼ平面である。偏向部材２０は、下底面２２が組レンズ１８の光軸２１に対してほぼ直交するように、配置されている。なお、偏向部材２０は、下底面２２の少なくとも一部が曲面でもよい。
【００４７】
本実施形態において、偏向部材２０の上底面２３のうち、光源部１１から組レンズ１８を通って下底面２２へ入射した光Ｌが通過する領域は、ほぼ平面である。上底面２３は、組レンズ１８の光軸２１に対してほぼ直交している。本実施形態の偏向部材２０は、上底面２３が下底面２２よりも小さい。なお、偏向部材２０は、上底面２３の少なくとも一部が曲面でもよく、上底面２３が下底面２２よりも大きくてもよい。
【００４８】
本実施形態において、側面２４は、光軸２１に直交する断面の外径が下底面２２から上底面２３に向って縮小するテーパ面を含む。本実施形態において、側面２４は、上記の仮想光のうち組レンズ１８及び下底面２２を通って側面２４で反射して入射してくる主光線に対して、ほぼ直交している。すなわち、本実施形態において、撮像素子５に結像する光Ｌのうちの主光線は、穴Ｍａの内面Ｍｂから偏向部材２０へ入射するときに側面２４でほぼ屈折しない。
【００４９】
本実施形態の照射部１２は、反射部材２７を含む。反射部材２７は、結像光学系の光軸（組レンズ１８の光軸２１）を中心として軸対称な形状である。光源部１１から結像光学系６へ入射して偏向部材２０の上底面２３から出射した光Ｌは、反射部材２７の頂点近傍の表面に入射して反射し、結像光学系６の光軸に対して軸対称なシート光となり、共役面１０に沿って伝播する。このシート光は、結像光学系６の光軸２１に直交する面におけるスポット形状がほぼ円環状のパターン光であり、テーパ状の光切断面を形成する。
【００５０】
なお、反射部材２７は、光源部１１から偏向部材２０を通って入射してくる光Ｌが全反射条件を満たすことで反射する構成でもよい。また、反射部材２７は、反射型の回折光学素子を含んで構成されていてもよい。この回折光学素子は、偏向部材２０から入射してくる光Ｌが反射するとともに回折し、回折した光が共役面１０に沿って伝播するように、構成されていてもよい。
【００５１】
図２及び図３に示すように、本実施形態の筐体１３は、長手方向の一端を含む先端部３０と、長手方向の他端を含む基端部３１とを有する。筐体１３は、長手方向（Ｚ軸方向）に直交する断面形状がほぼ円環状の筒形状である。
【００５２】
本実施形態の先端部３０は、結像光学系６の少なくとも一部を収容している。本実施形態の先端部３０は、いわゆる鏡筒である。組レンズ１８のレンズは、筐体１３と同軸状に配列されて先端部３０に収容されている。先端部３０に収容されているレンズは、先端部３０との相対位置が固定されている。偏向部材２０の少なくとも一部は、筐体１３の外部に配置されている。偏向部材２０は、先端部３０に対して基端部３１とは反対側に向って、先端部３０から突出している。
【００５３】
本実施形態において、基端部３１は、先端部３０との相対位置が固定されている。基端部３１は、撮像素子５、及び光源部１１のハーフミラー１７を収容している。撮像素子５は、基端部３１との相対位置が固定されており、先端部３０に収容されている光学素子に対する相対位置が固定されている。筐体１３の長手方向に直交する断面の寸法は、先端部３０の外径が基端部３１の外径よりも小さく、先端部３０の内径が基端部３１の内径よりも小さい。
【００５４】
なお、筐体１３は、長手方向に直交する断面が角型の環状の筒状でもよい。筐体１３の内面と外面の少なくとも一方は、長手方向に直交する断面の寸法が長手方向で連続的に変化するテーパ状でもよい。先端部３０と基端部３１との相対位置は、可変であってもよい。先端部３０は、偏向部材２０の全体を収容していてもよいし、結像光学系６以外の要素を収容していてもよい。基端部３１は、光源部１１の光源１５とコリメータ１６の少なくとも一方を収容していてもよいし、ハーフミラー１７を収容していなくてもよく、結像光学系６の光学素子の少なくとも１つを収容していてもよい。
【００５５】
本実施形態の光学プローブ３は、測定時に筐体１３の長手方向（光学素子の配列方向）がステージ装置２の第２保持部８の第１保持部７に対する進退方向（Ｚ軸方向）とほぼ平行になるように、第２保持部８に保持される。光学プローブ３は、測定時に筐体１３の先端部３０と基端部３１のうちで先端部３０が第１保持部７を向くように、基端部３１が第２保持部８に取り付けられる。
【００５６】
本実施形態の測定装置１Ａは、筐体１３の先端部３０の外径が基端部３１の外径よりも小さいので、光学プローブ３の先端部３０側を穴Ｍａに挿入しやすい。また、測定装置１Ａは、筐体１３の長手方向に直交する面での外形がほぼ円形であるので、光学プローブ３の少なくとも一部が穴Ｍａへ挿入された状態で、筐体１３の外周面が穴Ｍａの内面と干渉（衝突）しにくい。
【００５７】
本実施形態の支持部材１４は、筐体１３の長手方向における先端部３０の端面に設けられて筐体１３の長手方向に延びる柱状の支柱部３２と、支柱部３２に対して筐体１３とは反対側に設けられたミラー保持体３３とを含む。本実施形態の支持部材１４は、筐体１３の長手方向から見て筐体１３の先端部３０の外周の内側に収まる形状及び寸法である。本実施形態のミラー保持体３３は、支柱部３２に垂直な円板状である。ミラー保持体３３は、支柱部３２と固定されており、反射部材２７を偏向部材２０に向けて保持している。すなわち、反射部材２７は、支持部材１４を介して筐体１３に支持されている。
【００５８】
なお、照射部１２の少なくとも一部は、支柱部３２に取付けられて支持されていてもよく、この場合に、ミラー保持体３３は省略可能である。照射部１２の少なくとも一部は、筐体１３とは別の部材に支持されていてもよい。例えば、反射部材２７は、測定対象の物体の穴が貫通孔である場合に、この穴において光学プローブ３が挿入される開口とは反対側の開口を通して、例えばステージ装置２等に支持されていてもよい。
【００５９】
また、照射部１２は、偏向部材２０に対して第１光路２５とは反対側に配置された光源から発せられた光を穴の内面へ照射する構成でもよい。この光源は、例えば、測定対象の物体の穴が貫通孔である場合に、穴の外側に配置されており、光学プローブ３が挿入される第１の開口とは反対側の第２の開口を通して照射部１２へ光を発してもよいし、第２の開口を通して穴の内側に配置されており、照射部１２へ光を発してもよい。この光源は、ステージ装置２に支持されていてもよい。
【００６０】
本実施形態において、図５に示す共役面１０は、結像光学系６の光軸（組レンズ１８の光軸２１）と軸外物点を含む面（メリジオナル面）において、撮像素子５の受光領域と互いに共役である。共役面１０は、結像光学系６を構成する光学素子のうちで偏向部材２０の次に撮像素子から遠い光学素子の光軸とこの光軸に関する軸外物点とを含む面において、撮像素子５と共役であってもよい。また、共役面１０は、結像光学系６の瞳における光軸とこの光軸に関する軸外物点とを含む面において、撮像素子５と共役であってもよい。
【００６１】
本実施形態において、撮像素子５の受光領域の各点は、共役面１０上の点と１対１で対応している。すなわち、穴Ｍａの内面Ｍｂのうち共役面１０と交わる線上の点の像（メリジオナル像）は、この点に対応する撮像素子５の受光領域上の点に結像する。したがって、撮像素子５で検出される輝度ピーク等から、照射部１２から照射された光Ｌ（光切断光）が穴の内面にあたる点を特定することができる。
【００６２】
ここで、撮像素子５の画素ピッチをＰ、共役面１０が光軸２１となす角度をθとし、説明の便宜上、結像光学系６が等倍系であるとする。なお、結像光学系６は、縮小系、拡大系、倍率を可変な系のいずれでもよい。共役面１０上で撮像素子５の各画素と共役である領域（以下、共役面上の画素という）は、結像光学系６が等倍系である場合に、共役面１０上でのピッチがＰである。共役面上の画素のピッチは、光軸２１に平行な方向へ射影するとＰｃｏｓθになり、光軸２１に直交する面へ射影するとＰｓｉｎθになる。本実施形態において、角度θは、共役面１０が光軸２１に対して傾斜しており、θの絶対値が０°より大きい。したがって、共役面上の画素は、共役面が結像光学系の光軸と直交する構成（θ＝０°）と比較して、光軸２１に平行な方向と光軸２１に直交する面内で狭ピッチになる。このように、本実施形態の測定装置１Ａは、実質的な測定の解像度を向上させることができ、穴の内側の情報に関する測定精度を向上させることができる。
【００６３】
本実施形態の結像光学系６は、共役面１０の少なくとも一部を、結像光学系６のうちで最も共役面１０に近い光学素子（偏向部材２０）に対して、撮像素子５とは反対側に形成する。すなわち、共役面１０の少なくとも一部は、物体Ｍに対する光学プローブ３の進退方向に関して偏向部材２０よりも前方（穴の奥側）に配置されている。したがって、測定装置１Ａは、偏向部材２０よりも前方における穴Ｍａの内面Ｍｂを測定しやすくなり、例えば穴の底部の測定精度を向上させることができる。なお、結像光学系６は、共役面１０の少なくとも一部を、結像光学系６のうちで最も共役面１０に近い光学素子に対して撮像素子５と同じ側に形成してもよい。
【００６４】
また、測定装置１Ａは、照射部１２が共役面１０に沿うように光Ｌを照射するので、光Ｌがあたる位置における内面Ｍｂの像のピントが撮像素子５で合うことになり、測定精度を向上させることや合焦に要する手間を省くこともができる。また、測定装置１Ａは、結像光学系６が光軸２１を中心に回転対称であるので、穴Ｍａの内面Ｍｂのうち光切断光があたる箇所について２点以上の位置の情報を一括して測定することができる。本実施形態において、測定装置１Ａは、穴Ｍａの内面Ｍｂを光軸２１まわりの周方向のほぼ全周にわたって、一括して撮像することができる。
【００６５】
また、結像光学系６は、共役面１０側（物体面側）でテレセントリックな光学系であるので、穴Ｍａの径の変化に対して測定精度を均一に保つことができる。また、結像光学系６は、筐体１３の長手方向に延びる第１光路２５と、第１光路２５に対して傾斜した第２光路２６とを有しているので、測定装置１Ａは、深い穴の内側を測定することが容易である。
【００６６】
なお、穴Ｍａの内面Ｍｂの一部は、支持部材１４の支柱部３２の陰になる場合がある。測定装置１Ａは、例えば第１保持部７をθＺ方向に回転させることによって、物体Ｍと光学プローブ３とのθＺ方向の相対的な位置を変化させ、回転前に支持部材１４の支柱部３２の陰になっていた部分を測定することもできる。また、照射部１２は、光軸２１の周りの周方向の一部に光を照射してもよい。この場合に、測定装置１Ａは、物体Ｍと光学プローブ３とのθＺ方向の相対的な位置を変化させ、光軸２１の周りの周方向の一部又は全部を測定可能でもよい。測定装置１Ａは、穴Ｍａの内側のうち光軸２１の周りの周方向の一部を測定しなくてもよい。
【００６７】
本実施形態の偏向部材２０は、結像光学系６の他の光学素子に対して相対的に、光軸２１と平行な方向に移動可能である。上記の他の光学素子は、組レンズにおける複数のレンズと開口絞り１９のうちの少なくとも１つである。
【００６８】
図６（Ａ）から図６（Ｃ）は、第１実施形態の測定装置の撮像素子と共役面の関係を示す図である。詳しくは、図６（Ａ）は、図６（Ｂ）における偏向部材２０の位置を基準として、偏向部材２０が組レンズ１８に近づいた状態を示す図である。図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）における偏向部材２０の位置を基準として、偏向部材２０が組レンズ１８から遠ざかった状態を示す図である。
【００６９】
図６（Ａ）から図６（Ｃ）に示すように、偏向部材２０が他の光学素子に対して光軸２１と平行な方向に移動すると、共役面１０は、光軸２１に平行な方向と光軸２１に対する放射方向とに移動する。
【００７０】
例えば、偏向部材２０が図６（Ｂ）に示す位置から光軸２１に沿って組レンズ１８から近づく位置（図６（Ａ）参照）に移動すると、共役面１０の位置は、光軸２１と直交する方向に光軸２１から離れた位置へ変化する。したがって、測定装置１Ａは、偏向部材２０の移動前と比較して、光軸２１に直交する方向で光軸２１から離れた位置の穴Ｍａの内面Ｍｂを測定することができる。また、例えば、偏向部材２０が図６（Ｂ）に示す位置から光軸２１に沿って組レンズ１８に離れる位置（図６（Ｃ）参照）に移動すると、共役面１０の位置は、光軸２１と直交する方向に光軸２１に接近した位置へ変化する。したがって、測定装置１Ａは、偏向部材２０の移動前と比較して、光軸２１に直交する方向で光軸２１に近い位置の穴Ｍａの内面Ｍｂを測定することができる。このように、測定装置１Ａは、光軸２１に直交する方向における測定範囲を変化させることができる。
【００７１】
本実施形態の照射部１２は、照射部１２から照射される光Ｌが共役面１０に沿って伝播するように、光Ｌが伝播する面を偏向部材２０の移動に追従させて調整することができる。本実施形態の測定装置１Ａは、反射部材２７を支持した支持部材１４が筐体１３に対して光軸２１と平行な方向に進退移動することによって、反射部材２７から光Ｌが伝播する面を調整することができる。本実施形態において、反射部材２７は、偏向部材２０が組レンズ１８から離れるにしたがって偏向部材２０に近づくように、光軸２１に平行な方向の位置が調整される。
【００７２】
なお、測定装置１Ａは、偏向部材２０と反射部材２７とを連動させて移動する機構を備えていてもよいし、偏向部材２０を移動させる第１機構と反射部材２７を移動させる第２の機構とを備えていてもよい。上記の機構は、例えばヘリコイド機構等でもよい。測定装置１Ａは、上記の機構をアクチュエータ等の駆動部で動作させる構成でもよいし、上記の機構を手動で動作させる構成でもよい。制御装置４は、偏向部材２０と反射部材２７の少なくとも一方を移動させる機構を駆動する駆動部を制御可能でもよい。
【００７３】
上記の実施形態において、組レンズ１８は、各レンズの光軸が同軸状であるが、少なくとも１つのレンズの光軸が他のレンズに対して偏心していてもよい。上記の実施形態において、組レンズ１８は、透過型の光学素子で構成されているが、反射型の光学素子を含んでいてもよい。
【００７４】
上記の実施形態において、偏向部材は、組レンズ１８の光軸の周りで軸対称な形状であるが、組レンズ１８の光軸の周りで非対称な形状でもよい。この場合に、偏向部材は、組レンズ１８の光軸のまわりの周方向に、測定対象の物体に対して相対的に回転可能でもよく、共役面１０は、偏向部材と物体との相対的な回転の回転軸とこの回転軸以外の物点を含む面において、撮像素子５と共役でもよい。
【００７５】
上記の実施形態において、偏向部材は、全反射条件によって光が反射して偏向する構成であるが、鏡面で光が反射して偏向する構成でもよい。この偏向部材は、凹面鏡等の軸対称な形状でもよく、この場合に対称軸が組レンズ１８の光軸とほぼ同軸でもよい。また、偏向部材は、組レンズ１８から出射した光が伝播する方向のまわりで、軸非対称な形状でもよい。例えば、偏向部材は、平面ミラー等の光が反射する平面状の反射面を含み、この反射面が組レンズ１８の光軸に対して傾斜していてもよい。この場合に、測定装置は、偏向部材の平面状の反射面を、組レンズ１８の光軸のまわりの周方向に測定対象の物体に対して相対的に回転可能でもよく、共役面１０は、偏向部材と物体との相対的な回転の回転軸とこの回転軸以外の物点を含む面において、撮像素子５と共役でもよい。
【００７６】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素については、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。
【００７７】
図７は、第２実施形態の測定装置の光路を示す図である。図８は、第２実施形態の測定装置の撮像素子との共役面を拡大して示す図である。
【００７８】
図７に示す測定装置１Ｂは、第１実施形態と同様の撮像素子５及び結像光学系６（光学プローブ３）を備える。本実施形態において、測定装置１Ｂは、第１実施形態で説明した反射部材２７を含んでいない。本実施形態において、偏向部材２０は、物体Ｍの穴Ｍａに対する進退方向で光学プローブ３のうちで最も前方（先端）に配置されている。すなわち、本実施形態の測定装置１Ｂは、穴Ｍａの内側に挿入されて最も先端に配置される部材が偏向部材２０である。
【００７９】
本実施形態の測定装置１Ｂは、ＳＦＦ（Ｓｈａｐｅ Ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓ）法で測定対象の物体の穴の内側を測定することができる。測定装置１Ｂは、結像光学系６の光軸に沿って測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置を変化させながら、焦点位置が異なる複数の位置で物体Ｍの穴Ｍａの内側を撮像することができる。本実施形態において、測定装置１Ｂは、第１実施形態で説明したステージ装置２によって、測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置を変化させることができる。
【００８０】
測定装置１Ｂは、像界における撮像素子５上の点と共役な物界の点、すなわち図８に示す共役面１０が穴Ｍａの内面Ｍｂと交差する線上の点においてピントが合う。したがって、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置は、撮像素子５によって撮像された画像において合焦測度が最大となる位置を求めることにより、検出することができる。上記の合焦測度は、合焦の程度を数値化したパラメータであり、測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置によって変化する。本実施形態において、測定装置１Ｂは、撮像素子５が撮影した画像を第１実施形態で説明した制御装置４が画像処理することによって、合焦測度を算出し、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置を求めることができる。撮像素子５が撮影した画像は、制御装置４とは別の装置によって解析されてもよく、この装置は、測定装置１Ｂの外部の装置でもよい。
【００８１】
なお、測定装置１Ｂにより穴Ｍａの内側を撮影するときに穴Ｍａの内側を照明する照明光は、光源装置から発せられる光でもよいし、穴Ｍａの開口から内側へ入射する自然光でもよい。上記の照明光の少なくとも一部は、結像光学系６の少なくとも一部、例えば第１実施形態で説明した第１光路２５を通ってもよいし、通らなくてもよい。上記の光源装置の少なくとも一部は、測定装置１Ｂの一部でもよいし、測定装置１Ｂの外部の装置でもよい。例えば、上記の光源装置は、その一部が第１実施形態で説明した筐体１３に取り付けられていてもよい。上記の光源装置は、穴Ｍａの内側に配置されて内面Ｍｂを照明してもよいし、穴Ｍａの外側に配置されて穴Ｍａの開口を通して内面Ｍｂを照明してもよい。
【００８２】
本実施形態の偏向部材２０は、結像光学系６の他の光学素子に対して相対的に、光軸２１と平行な方向に移動可能である。上記の他の光学素子は、組レンズにおける複数のレンズと開口絞り１９のうちの少なくとも１つである。偏向部材２０と他の光学素子との相対位置を変化させる機構や駆動部については、第１実施形態と同様である。
【００８３】
図９（Ａ）から図９（Ｃ）は、第２実施形態の測定装置の撮像素子と共役面の関係を示す図である。図９（Ａ）から図９（Ｃ）に示すように、偏向部材２０が光軸２１に沿って組レンズ１８に離れるにつれて、共役面１０の位置は、光軸２１と直交する方向に光軸２１へ近づくように変化する。このように、測定装置１Ｂは、光軸２１に直交する方向における測定範囲を変化させることができる。
【００８４】
本実施形態の測定装置１Ｂは、実質的な測定の解像度を向上させることができ、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、共役面１０の少なくとも一部は、穴Ｍａに挿入される部位のうち最も先端に位置する偏向部材２０よりも前方に配置されるので、物体を貫通していない穴の内側を測定する場合に、光学プローブ３が穴の底部に接触するよりも前に、共役面１０が穴の底部に到達することになる。したがって、測定装置１Ｂは、穴の底部に接触させないで穴の底部付近を測定することもできる。
【００８５】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態において、上記の実施形態と同様の構成要素については、上記の実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。
【００８６】
図１０は、第３実施形態の測定装置の光路を示す図である。図１１は、第３実施形態における投影パターンを示す図である。図１０に示す測定装置１Ｃは、光源部４０と、相対位置検出機構４８と、第１実施形態と同様の撮像素子５及び結像光学系６（光学プローブ３）とを備える。本実施形態の制御装置４は、合焦測度算出部４６及び形状情報取得部４７を備える。なお、本実施形態の測定装置１Ｃは、第１実施形態で説明した反射部材２７を含んでいない。
【００８７】
本実施形態の測定装置１Ｃは、ＳＦＦ法で測定対象の物体の凹部の内面を測定することができる。ＳＦＦ法で測定を行う場合に、例えば測定対象の領域が鏡面であったりテクスチャを有していなかったりすると、合焦しているか否かを検出しにくいことがある。本実施形態の測定装置１Ｃは、テクスチャパターンを投影しつつ、結像光学系６の光軸に沿って測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置を変化させながら、焦点位置が異なる複数の位置で物体Ｍの穴Ｍａの内側を撮像することができる。
【００８８】
相対位置検出機構４８は、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を検出することができる。相対位置検出機構４８は、例えば図１に示した光学プローブ３と第１保持部７との相対位置の変化を検出することによって、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を検出してもよい。相対位置検出機構４８は、例えば光学的に相対位置を検出するセンサーを含んでいてもよい。相対位置検出機構４８は、光学プローブ３と第１保持部７との相対位置を管理する機構の一部、例えばステージ装置２の一部であってもよい。
【００８９】
制御装置４の合焦測度算出部４６は、撮像素子５から出力される信号に基づいて、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置に応じた合焦測度を算出する。合焦測度は、例えば合焦位置からの位置のずれ量を示すパラメータである。なお、合焦測度は、例えば、以下の方法により求められる。第１の方法は、合焦測度を取得する対象画素と隣接画素との明度差又は輝度値差から得る方法である。第２の方法は、合焦測度を取得する対象領域の複数の画素から得られる明るさ値と、対象領域の近傍の領域における複数の画素から得られる明るさに基づく値との差から得る方法である。第３の方法は、合焦測度を取得する領域の空間周波数分布のうち相対的に高い空間周波数成分に基づいて、合焦測度求める方法である。
【００９０】
形状情報取得部４７は、相対位置検出機構４８の検出結果を示す情報、及び合焦測度算出部４６の算出結果を示す情報に基づいて、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を異ならせた場合に合焦測度が最大となる相対位置を求めることができる。
【００９１】
本実施形態の測定装置１Ｃは、第２実施形態と同様に、ステージ装置２によって測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置を変化させ、制御装置４の合焦測度算出部４６によって合焦測度を算出する。そして、測定装置１Ｃは、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を示す情報として相対位置検出機構４８から出力される位置情報、及び焦測度算出部４６の算出結果を示す情報に基づいて、合焦測度が最大となる撮像面の位置を形状情報取得部４７により特定する。このようにすることで、測定装置１Ｃは、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置を求めることができる。また、測定装置１Ｃは、内面Ｍｂの形状を示す情報として、内面Ｍｂ上の各点の位置（座標）の分布を示す情報を求めることもできる。
【００９２】
本実施形態の光源部４０は、光源４１と、光源４１から発せられた光束を平行化するコンデンサレンズ４２と、光源４１から発せられてコンデンサレンズ４２を通った光が入射する位置に配置された投影パターン４３と、第１実施形態と同様のハーフミラー１７とを含む。
【００９３】
本実施形態の光源４１は、ＬＥＤやハロゲンランプ、ファイバー光源等の各種光源の１種又は２種以上で構成される。光源４１は、半導体レーザー素子を含んで構成されていてもよく、この場合に、光源４１とコンデンサレンズ４２との間の光路に、光源４１から発せられた光の配向特性を制御する拡散部材が配置されていてもよい。この拡散部材は、例えばすりガラス等の拡散板やＣＧＨ等の回折光学素子等で構成されていてもよい。
【００９４】
本実施形態の投影パターン４３は、光源４１から発せられてコンデンサレンズ４２を通った光によって、照明される。本実施形態の投影パターン４３は、撮像素子５の受光領域及び結像光学系６が形成する共役面１０のそれぞれと共役な位置に配置されている。光源４１からコンデンサレンズ４２を通って投影パターン４３に入射した光のうち、投影パターン４３を通った光は、テクスチャパターンを示すパターン光となり、結像光学系６を通って穴Ｍａの内面Ｍｂに照射される。このパターン光は、穴Ｍａの内面Ｍｂと共役面１０とが交わる線上で結像し、内面Ｍｂにテクスチャパターンが投影される。このように、本実施形態において、光源４１及びコンデンサレンズ４２は、投影パターン４３を照明する照明光学系を構成しており、結像光学系６は、照明光学系によって照明された投影パターン４３の像（テクスチャパターン）を投影する投影光学系を構成している。
【００９５】
図１１に示す投影パターン４３は、例えばフォトマスク等であり、光源４１からの光に対して透過率が異なる明部４４と暗部４５とを有する。明部４４は、光源４１からの光に対する透過率が暗部４５よりも高い。本実施形態において、暗部４５は、光源４１からの光をほぼ透過しない。
【００９６】
本実施形態において、明部４４と暗部４５は、投影パターン４３を通る光のスポットの中心を通る中心軸に対する放射方向に、交互に繰り返し配置されている。上記の中心軸は、結像光学系６の光軸と等価な軸であり、結像光学系６の光軸をハーフミラー１７で折り曲げた軸に相当する。本実施形態において、投影パターン４３は、上記の中心軸と交差する部分がほぼ円形の暗部４５であり、この暗部４５の外側の部分が円環状の明部４４及び暗部４５である。円環状の明部４４と暗部４５は、同心状に中心位置を揃えて配列されている。すなわち、投影パターン４３は、上記の中心軸に関して軸対称である。
【００９７】
本実施形態の偏向部材２０は、結像光学系６の他の光学素子に対して相対的に、光軸２１と平行な方向に移動可能である。上記の他の光学素子は、組レンズを構成する複数のレンズ要素と開口絞り１９のうちの少なくとも１つである。偏向部材２０と他の光学素子との相対位置を変化させる機構や駆動部については、第１実施形態と同様である。
【００９８】
本実施形態の測定装置１Ｃは、実質的な測定の解像度を向上させることができ、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｃは、物体Ｍの穴Ｍａの内面Ｍｂにパターンを投影するので、合焦しているか否かを高精度に検出することが可能であり、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｃは、穴Ｍａの内面Ｍｂに投影されるパターンが結像光学系６の光軸に対して軸対称であるので、メリジオナル光線の合焦を検出しやすくなり、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。
【００９９】
なお、測定装置１Ｃは、第２実施形態と同様に、穴の底部に接触させないで穴の底部付近を測定することや、光軸２１に直交する方向における測定範囲を変化させることもできる。投影パターンは、明部又は暗部が直交格子状であるパターンや、明部と暗部が多角形であり規則的に並ぶ三角格子状等のパターン等でもよい。
【０１００】
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態において、上記の実施形態と同様の構成要素については、上記の実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。
【０１０１】
図１２は、第４実施形態の測定装置の光路を示す図である。図１３は、第４実施形態の走査円板を示す図である。図１２に示す測定装置１Ｄは、光源部５０と、結像光学系５１と、第１実施形態と同様の撮像素子５とを備える。また、測定装置１Ｄは、形状情報取得部４７及びピーク位置検出部４９を含む制御装置４と、第３実施形態において説明した相対位置検出機構４８とを備える。本実施形態において、測定装置１Ｄは、第１実施形態で説明した反射部材２７を含んでいない。本実施形態の測定装置１Ｄは、共焦点法で測定対象の物体の凹部の内面を測定することができる。
【０１０２】
本実施形態の結像光学系５１は、第１実施形態の結像光学系６に加えて、リレー光学系５２を含む。リレー光学系５２の光軸は、組レンズ１８の光軸２１とほぼ同軸であり、本実施形態において、結像光学系５１の光軸は、組レンズ１８の光軸２１とほぼ同軸である。
【０１０３】
結像光学系５１は、物界からの光を偏向部材２０、組レンズ１８、及び開口絞り１９を介して物界から見た前側焦点に結像することができ、前側焦点での像（中間像）をリレー光学系５２を介して撮像素子５に再度結像することができる。すなわち、結像光学系５１は、物界に撮像素子５との第１の共役面１０を形成し、結像光学系５１の光路内に撮像素子５との第２の共役面を形成する。
【０１０４】
本実施形態の光源部５０は、光源４１と、コンデンサレンズ４２と、ハーフミラー１７と、結像光学系５１が中間像を形成する位置（第２の共役面）に配置された走査円板（絞り部材）５３とを含む。光源４１とコンデンサレンズ４２とハーフミラー１７は、第３実施形態と同様の構成でもよい。
【０１０５】
図１３に示す走査円板５３は、光を通す開口部５４が部分的に設けられた構造である。本実施形態において、走査円板５３の開口部５４は、結像光学系５１の光軸を中心として螺旋状に延びている。走査円板５３は、図示しない駆動部によって、結像光学系５１の光軸のまわりで回転駆動される。
【０１０６】
本実施形態において、光源４１からコンデンサレンズ４２及びハーフミラー１７を介して入射してくる光は、その一部（部分光束）が走査円板５３の開口部５４を通り、走査円板５３にて開口部５４が配置されているパターンに応じた光強度分布を有する光（パターン光）になる。この光は、組レンズ１８、開口絞り１９及び偏向部材２０を介して、測定対象の物体Ｍの穴Ｍａの内面Ｍｂに照射され、内面Ｍｂに走査円板５３の像が投影される。このように、本実施形態において、光源４１とコンデンサレンズ４２とハーフミラー１７は、走査円板５３を照明する照明光学系を構成しており、組レンズ１８と開口絞り１９と偏向部材２０は、走査円板５３の像を投影する投影光学系を構成している。
【０１０７】
本実施形態において、穴Ｍａの内面Ｍｂに照射された光は、内面Ｍｂで反射（散乱）して、その少なくとも一部が偏向部材２０、組レンズ１８、及び開口絞り１９を通って、走査円板５３に入射する。第１の共役面１０と穴Ｍａの内面Ｍｂとが交わる線上で散乱した光は、第１の共役面１０と走査円板５３とが互いに共役な関係であるので、内面Ｍｂへ入射する前に通った開口部５４と同じ位置に結像する。内面Ｍｂへ入射した後に開口部５４にて結像した光は、開口部５４を通ってリレー光学系５２へ入射し、リレー光学系５２を介して撮像素子５に結像する。
【０１０８】
本実施形態において、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置は、例えば撮像素子５によって撮像された画像において輝度（合焦測度）がピークとなる位置を求めることにより、検出することができる。制御装置４のピーク位置検出部４９は、撮像素子５の撮像結果を示す情報に基づいて、輝度がピークとなる位置、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点のうち撮像素子５が共役関係となっている点の位置を算出する。測定装置１Ｄは、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を示す情報として相対位置検出機構４８から出力される位置情報に基づいて、結像光学系６と物体Ｍとの各相対位置において合焦測度が最大となる撮像面上の点（画素）の位置を、撮像面と共役関係になっている穴Ｍａの内面Ｍｂ上の位置に対応する情報として、形状情報取得部４７によって特定する。このようにすることで、測定装置１Ｄは、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置を求めることができる。
【０１０９】
本実施形態の測定装置１Ｄは、実質的な測定の解像度を向上させることができ、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｄは、走査円板５３の開口部５４のパターンが結像光学系６の光軸を中心とする螺旋状であるので、メリジオナル光線の合焦に対して共焦点効果が強く、一方サジタル光線に対しては共焦点効果の弱い。したがって、測定装置１Ｄは、メリジオナル光線の合焦を検出しやすくなり、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。
【０１１０】
なお、測定装置１Ｄは、第２実施形態と同様に、穴の底部に接触させないで穴の底部付近を測定することや、光軸２１に直交する方向における測定範囲を変化させることもできる。走査円板は、通常知られている開口部であるピンホールが規則的に配置された所謂ニポウ（Ｎｉｐｋｏｗ）ディスクを用いてもよい。
【０１１１】
次に、変形例について説明する。図１４は、第１変形例の測定装置の構成を示す図である。図１５は、第１変形例の測定装置の光路を示す図である。図１４及び図１５に示す測定装置１Ｅは、結像光学系６０と、第１実施形態と同様の撮像素子５とを備える。結像光学系６０は、組レンズ６１と、第１実施形態と同様の偏向部材２０とを含む。組レンズ６１は、軸対称な光学系である。組レンズ６１は、像面側（撮像素子５側）がテレセントリック系であり、共役面側が非テレセントリック系である。
【０１１２】
本変形例において、撮像素子５との共役面６２から偏向部材２０へ入射して撮像素子５に結像する光の少なくとも一部の主光線は、共役面６２から偏向部材２０へ非垂直に入射し、偏向部材２０と外部との界面（側面２４）で屈折する。側面２４で屈折した光は、この側面とは組レンズ６１の光軸６３を挟んで反対側の側面２４で反射し、下底面２２から組レンズ６１へ向って出射する。このように、本変形例の偏向部材２０の側面２４は、共役面６２からの光が屈折する屈折部と、共役面６２から屈折部を経由して入射してくる光が反射する内面とを含む。
【０１１３】
本変形例の測定装置１Ｅは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｅは、共役面６２から入射してくる光が偏向部材２０で屈折するので、結像光学系６０の設計の自由度が高くなる。
【０１１４】
図１６は、第２変形例の測定装置の構成を示す図である。図１７は、第２変形例の測定装置の光路を示す図である。図１６及び図１７に示す測定装置１Ｆは、結像光学系６５と、第１実施形態と同様の撮像素子５とを備える。結像光学系６５は、組レンズ６６と、偏向部材６７とを含む。本変形例において、偏向部材６７は、撮像素子５との共役面６８から入射してくる光に対してレンズ効果を発現する。結像光学系６５は、組レンズ６６と偏向部材６７のレンズ効果により、共役面６８から入射してくる光を撮像素子５に結像させる。
【０１１５】
本変形例において、組レンズ６６は、軸対称な光学系であり、像面側（撮像素子５側）がテレセントリック系、共役面側が非テレセントリック系である。偏向部材６７は、組レンズ６６を向く底面６９と、底面６９とは反対側を向く凹面７０と、底面６９の外周と凹面７０の外周とを結ぶ側面７１と、を有する。凹面７０は、組レンズ６６に向うにつれて内径が縮小するテーパ面を含む。側面７１は、組レンズ６６の光軸７２と軸外物点を含む面（メリジオナル面）内で湾曲した湾曲面７３を有する。
【０１１６】
本変形例において、撮像素子５との共役面６８から偏向部材６７へ入射して撮像素子５に結像する光の少なくとも一部の主光線は、撮像素子５との共役面６８から偏向部材６７の湾曲面７３に対して非垂直に入射し、偏向部材６７と外部との界面（湾曲面７３）で屈折する。湾曲面７３で屈折した光は、凹面７０の内面側（偏向部材６７の内部側の面）へ入射し、凹面７０の内面側で反射して底面６９から組レンズ６６へ向って出射した後に、組レンズ６６を通って撮像素子５に結像する。このように、本変形例の偏向部材６７は、共役面６８からの光が屈折する湾曲面７３と、共役面６２から屈折部を経由して入射した光が反射する凹面７０とを有する。
【０１１７】
本変形例の測定装置１Ｆは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｆは、偏向部材６７が撮像素子５との共役面６８から入射してくる光を屈折させるので、結像光学系６５の設計の自由度が高くなる。
【０１１８】
図１８は、第３変形例の測定装置の構成を示す図である。図１９は、第３変形例の測定装置の光路を示す図である。図１８及び図１９に示す測定装置１Ｇは、結像光学系７５と、第１実施形態と同様の撮像素子５とを備える。本変形例の結像光学系７５は、偏向部材７６と、第２変形例と同様の組レンズ６６とを含む。
【０１１９】
本変形例の偏向部材７６は、組レンズ６６の光軸７２に対して軸対称な形状である。偏向部材７６は、円錐状であり、組レンズ６６を向く底面７７と、光軸７２の側方に配置された側面７８とを有する。本変形例において、撮像素子５との共役面７９から偏向部材７６へ入射して撮像素子５に結像する光は、側面７８の内面側で複数回数反射して、底面７７から組レンズ６６へ向って出射する。
【０１２０】
詳しくは、共役面７９から側面７８へ入射した光は、この側面７８で屈折し、この側面７８とは組レンズ６６の光軸７２を挟んで反対側の側面７８へ入射して反射する。側面７８で反射した光は、共役面７９から偏向部材７６への入射側の側面７８へ再度入射し、この側面７８で反射して底面７７から出射する。本変形例において、撮像素子５から結像光学系７５へ向けて仮想的に発せられた仮想光は、偏向部材７６の側面７８を通って共役面７９へ向うときに、側面７８の法線方向に対して偏向部材７６の頂点側、すなわち光学プローブの先端側（測定対象の穴の奥側）に向って屈折する。
【０１２１】
本変形例の測定装置１Ｇは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｇは、穴の奥側から偏向部材７６へ入射する光が側面７８で屈折して撮像素子５で結像するので、穴の底部などを測定することが容易になる。
【０１２２】
図２０は、第４変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す斜視図である。図２１は、第４変形例の光学プローブの外観を示す側面図である。図２０及び図２１に示す測定装置１Ｈは、支持部材８０と、第１実施形態と同様の筐体１３を備える。本変形例の支持部材８０は、複数の支柱部３２と、支柱部３２に対して筐体１３とは反対側に設けられたミラー保持体３３とを含む。
【０１２３】
本変形例において、３つの支柱部３２が筐体１３に取付けられており、３つの支柱部３２は、それぞれ、ミラー保持体３３と固定されている。支柱部３２は、筐体１３との取り付け箇所が３つの支柱部３２で同一線上に並ばないように、配置されている。また、支柱部３２は、ミラー保持体３３との固定箇所が３つの支柱部３２で同一線上に並ばないように、配置されている。本変形例において、３つの支柱部３２は、光軸２１のまわりの周方向に等間隔で配置されている。
【０１２４】
本変形例の測定装置１Ｈは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｈは、Ｚ軸方向に直交する面内の２箇所以上で筐体１３とミラー保持体３３とが支柱部で連結されているので、ミラー保持体３３に保持された反射部材２７と筐体１３との相対位置がθＺ方向でずれにくくなる。また、測定装置１Ｈは、Ｚ軸方向に直交する面内の３箇所以上で筐体１３とミラー保持体３３とが支柱部で連結されているので、Ｚ軸方向に直交する面内の任意の方向、例えばθＸ方向及びθＹ方向で、ミラー保持体３３に保持された反射部材２７と筐体１３との相対位置がθＺ方向でずれにくくなる。なお、支柱部３２の数は、２つでもよいし、４つ以上でもよい。
【０１２５】
図２２は、第５変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す斜視図である。図２３は、第５変形例の光学プローブの外観を示す側面図である。図２２及び図２３に示す測定装置１Ｊは、支持部材８１と、第１実施形態と同様の筐体１３を備える。本変形例の支持部材８１は、筐体１３から長手方向に延びる連結部８２と、連結部８２に対して筐体１３とは反対側に設けられたミラー保持体３３とを含む。ミラー保持体３３は、第１実施形態と同様のものを用いてもよい。
【０１２６】
本変形例において、連結部８２の少なくとも一部は、測定対象の物体の凹部の内面から偏向部材２０へ向う光、例えば図４及び５に示した光源部１１から発せられる波長の光に対して、透明な媒質で構成されている。連結部８２は、凹部の内面から偏向部材２０へ入射して撮像素子５で結像する光が共役面１０と偏向部材２０との間を通る光路に配置される部分が上記の透明な媒質で構成されている。連結部８２は、筐体１３の長手方向（Ｚ軸方向）に直交する面内で、図２及び図３に示した偏向部材２０の下底面２２の外周よりも外側に配置された円筒状である。連結部８２は、光軸２１のまわりの全周が上記の透明な媒質で構成されている。連結部８２は、筐体１３の長手方向とほぼ平行に延びている。連結部８２は、長手方向の一端側（−Ｚ側）が筐体１３と接続されており、長手方向の他端側（＋Ｚ側）がミラー保持体３３と接続されている。本変形例において、反射部材２７は、支持部材８１を介して筐体１３に保持されている。
【０１２７】
本変形例の測定装置１Ｊは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｊは、連結部８２が透明な材質で構成されているので、共役面１０から偏向部材２０へ向う光が連結部８２に遮られにくくなる。また、測定装置１Ｊは、連結部８２の光軸２１のまわりの全周が透明な媒質で構成されているので、撮像素子５上に連結部８２の陰がほとんど生じない。したがって、測定装置１Ｊは、穴の内面を光軸２１まわりの周方向の全周にわたって、一括して撮像することができる。
【０１２８】
［第１実施例］
次に、上記の実施形態に係る結像光学系６の一例として、第１実施例について説明する。第１実施例について数値例を示して説明するが、以下の数値例は本発明の適用範囲を限定するものではない。
【０１２９】
図２４は、第１実施例における結像光学系の光路図である。図２５は、第１実施例における結像光学系の各収差図である。図２４において、結像光学系に対する物体側は図中左に、像側は図中右側に図示されている。なお、偏向部材２０の像側の面及び物体側の面は、説明の便宜上、平面で表している。
【０１３０】
結像光学系６は、物体側から像側に向う順に、偏向部材２０、両凸レンズ８５と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ８６とを接合した接合レンズ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ８７、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ８８、両凹レンズ８９、開口絞り１９、両凹レンズ９０、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ９１、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ９２、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ９３と両凸レンズ９４を接合した接合レンズから構成される。組レンズ１８は、図２５中の符号８５から９４で示される各レンズを含む。また、図２５中の符号Ｑ１からＱ２１は、それぞれ第１から第２１の光学面を示す。例えば、第１の光学面Ｑ１は、偏向部材２０のうち物体側の面であり、第２の光学面Ｑ２は偏向部材２０のうち像面側の面である。
【０１３１】
第１実施例に係る結像光学系の諸元を下記の［表１］に示す。［表１］において、第１欄のｍは、光学面に対して物体側から像面側へ向って昇順に付した並び順を示す番号を、第２欄のｒは各光学面の曲率半径を、第３欄のｄは各光学面から次の光学面までの光軸上の距離を、第４欄のｎｄはｄ線に対する屈折率を、そして第５欄のνｄはアッベ数をそれぞれ示している。ここで空気の屈折率は、省略している。なお、ｍ＝ｋ（ｋは１以上２１以下の整数）の欄は、ｋ番目の光学面（図２４に示した第ｋの光学面Ｑｋ）に関するデータを示す。例えば、ｍ＝２は、図２４に示した第２の光学面Ｑ２に関するデータを示す。また、第１実施例において、焦点距離ｆが無限大（テレセントリック系）、開口数ＮＡが０．０５、物界の焦点から第１の光学面（ｍ＝１）までの距離ｄ０が２５．２５ｍｍ、倍率βが−１（倒立の等倍）としている。
【０１３２】
【表１】
【０１３３】
第１の光学面（ｍ＝１）に対応する距離ｄは、第１の光学面から第２の光学面（ｍ＝２）までの硝路長を表している。第１実施例において、偏向部材２０は、底面の直径２６［ｍｍ］、半頂角３０［°］をなす円錐の先端部を光軸に垂直に切り落とした円錐台形状をしており、その硝路長は（２６×√３／２）２２．５２ｍｍとなる。第１実施例において、偏向部材２０は、内面における全反射現象を利用して光路を偏向している。偏向部材２０は、屈折率の高い媒質、例えば重フリント系ガラス、重ランタンフリント系ガラス等で形成されていると、全反射条件を満足しやすい。第１実施例において、偏向部材２０は、屈折率１．７５５２０、アッベ数２７．５１の重フリント系ガラスを形成材料として、設計されている。
【０１３４】
図２５に示すように、第１実施例の結像光学系６は、可視光広帯域（Ｃ線〜ｄ線〜Ｆ線）において色収差を補正するように設計されている。なお、第１実施例の結像光学系６は、可視光広帯域の一部の帯域において色収差を補正するように設計されていてもよいし、可視光広帯域において色収差を補正しないように設計されていてもよい。例えば、測定対象面が予め設定される所定の帯域の可視光によって照明される場合に、第１実施例の結像光学系６は、この所定の帯域において色収差を補正するように設計されていてもよい。例えば、光源に単色光源を照明に用いる場合において、結像光学系６の収差補正も光源波長に合わせた単色のみの補正としてもよい。また、例えば、測定対象面が予め設定される所定の帯域の不可視光によって照明される場合に、第１実施例の結像光学系６は、可視光広帯域において色収差を補正しないように設計されていてもよい。
【０１３５】
また、第１実施例の結像光学系６は、非点収差を補正するように、設計されている。第１実施例の結像光学系６は、メリジオナル像面における収差を補正するように設計されている。なお、第１実施例の結像光学系６は、サジタル像面における収差が補正されるように設計されていてもよいし、サジタル像面における収差が補正されるように設計されていてもよい。第１実施例の結像光学系６は、メリジオナル像面の湾曲が補正されており、非点収差が生じるものでもよい。
【０１３６】
［第５実施形態］
次に、上述した測定装置（形状測定装置）を備えた構造物製造システムについて説明する。
【０１３７】
図２６は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態において説明したような形状測定装置１００と、設計装置１１０と、成形装置１２０と、制御装置（検査装置）１３０と、リペア装置１４０とを備える。制御装置１３０は、座標記憶部１３１及び検査部１３２を備える。
【０１３８】
設計装置１１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作成した設計情報を成形装置１２０に送信する。また、設計装置１１０は、作成した設計情報を制御装置１３０の座標記憶部１３１に記憶させる。設計情報は、構造物の各位置の座標を示す情報を含む。
【０１３９】
成形装置１２０は、設計装置１１０から入力された設計情報に基づいて、上記の構造物を作製する。成形装置１２０の成形は、例えば鋳造、鍛造、切削等が含まれる。形状測定装置１００は、作製された構造物（測定対象物）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置１３０へ送信する。
【０１４０】
制御装置１３０の座標記憶部１３１は、設計情報を記憶する。制御装置１３０の検査部１３２は、座標記憶部１３１から設計情報を読み出す。検査部１３２は、形状測定装置１００から受信した座標を示す情報（形状情報）と、座標記憶部１３１から読み出した設計情報とを比較する。検査部１３２は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部１３２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。検査部１３２は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合に、構造物が修復可能であるか否か判定する。検査部１３２は、構造物が修復できる場合、比較結果に基づいて不良部位と修復量を算出し、リペア装置１４０に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。
【０１４１】
リペア装置１４０は、制御装置１３０から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。
【０１４２】
図２７は、構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。構造物製造システム２００は、まず、設計装置１１０が構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ１０１）。次に、成形装置１２０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ１０２）。次に、形状測定装置１００は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ１０３）。次に、制御装置１３０の検査部１３２は、形状測定装置１００で得られた形状情報と上記の設計情報とを比較することにより、構造物が誠設計情報通りに作成されたか否か検査する（ステップＳ１０４）。
【０１４３】
次に、制御装置１３０の検査部１３２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。構造物製造システム２００は、作成された構造物が良品であると検査部１３２が判定した場合（ステップＳ１０５ ＹＥＳ）、その処理を終了する。また、検査部１３２は、作成された構造物が良品でないと判定した場合（ステップＳ１０５ ＮＯ）、作成された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ１０６）。
【０１４４】
構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できると検査部１３２が判定した場合（ステップＳ１０６ ＹＥＳ）、リペア装置１４０が構造物の再加工を実施し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０３の処理に戻る。構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できないと検査部１３２が判定した場合（ステップＳ１０６ Ｎｏ）、その処理を終了する。以上で、構造物製造システム２００は、図２７に示すフローチャートの処理を終了する。
【０１４５】
本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態における形状測定装置１００が構造物の座標を正確に測定することができるので、作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。
【０１４６】
なお、本実施形態におけるリペア装置１４０が実行するリペア工程は、成形装置１２０が成形工程を再実行する工程に置き換えられてもよい。その際には、制御装置１３０の検査部１３２が修復できると判定した場合、成形装置１２０は、成形工程（鍛造、切削等）を再実行する。具体的には、例えば、成形装置１２０は、構造物において本来切削されるべき箇所であって切削されていない箇所を切削する。これにより、構造物製造システム２００は、構造物を正確に作成することができる。
【０１４７】
なお、上記の実施形態によれば、形状測定方法は、形状測定装置１００が実行する形状測定方法であって、測定対象物にスポット光を照射するスポット光照射手順と、測定対象物の表面上でスポット光を相対的に走査する走査手順と、複数の受光画素が２次元的に配列され、スポット光が測定対象物に照射される照射方向と異なる方向からスポット光が測定対象物に照射された場合のスポット光像を検出する２次元受光検出手順と、受光検出部２５（２次元受光検出部）が有する複数の受光画素のうち、スポット光の照射方向に応じて、スポット光像の位置を検出するために用いる受光画素の信号を選択する選択手順と、選択手順で選択された受光画素からの信号に基づいて、測定対象物の位置情報を算出する制御手順とを有することを特徴とする。これにより、複雑な機構や高度な調整作業を必要とせずに、測定対象物の形状を精度良く測定することができる。
【０１４８】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態あるいは変形例に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、測定対象となるものは、図１に図示された物体Ｍのような穴だけに限られない。上記の実施形態に係る測定装置、形状測定装置、及び形状測定方法は、例えば、溝の内側を測ることや段差の崖部分を測ることも可能である。
【符号の説明】
【０１４９】
１Ａ〜１Ｈ、１Ｊ、１００・・・測定装置（形状測定装置）、２・・・ステージ装置（走査部）、４・・・制御装置（位置情報取得部）５・・・撮像素子、６、５１、６０、６５、７５・・・結像光学系、１０、６２、６８、７９・・・共役面、１３・・・筐体、２０、６７、７６・・・偏向部材、２７・・・反射部材、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置、形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
穴や溝等の凹部の形状を非接触で測定可能な測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の測定装置は、穴の深さ方向に光を送る送光部と、穴の深さ方向と略直交する方向に光の方向を変換する変換部と、変換部で方向が変化した光のうち穴の内側で反射した光を検出する検出部とを備える。この測定装置は、例えば、検出部で検出された穴の内側の像に基づいて、穴の形状を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０２３７６７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような測定装置は、例えば検出部の解像度が不足すると、十分な測定精度が得られない可能性がある。本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、凹部の内側の情報に関する測定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様の形状測定装置は、撮像素子と、複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を、前記複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角の関係となるように形成する結像光学系と、測定対象面に対して前記結像光学系の少なくとも一部を移動可能な走査部と、前記走査部の位置情報及び前記撮像素子の画像情報に基づいて、前記測定対象面の位置情報を取得する位置情報取得部と、を備える。
【０００６】
本発明の第２の態様の測定装置は、測定対象面の位置を測定する測定装置であって、撮像素子と、複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を形成する結像光学系と、を備え、前記共役面は、前記複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角をなしている。
【０００７】
本発明の第３の態様の測定装置は、測定対象面の位置を測定する測定装置であって、撮像素子と、複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を形成する結像光学系と、前記複数の光学素子の少なくとも一部を収容し、前記複数の光学素子の配列方向に長手方向を有する鏡筒と、を備え、前記共役面は、前記鏡筒の長手方向に対して鋭角又は鈍角をなしている。
【０００８】
本発明の第４の態様の測定装置は、測定対象面の位置を測定する測定装置であって、前記測定対象面を含む物体を保持する保持部と、撮像素子と、前記保持部に対して相対的に進退可能に設けられ、複数の光学素子を含み前記測定対象面を経由した光を前記撮像素子に結像させ、前記撮像素子との共役面を前記保持部に対する進退方向に対して傾斜するように形成する結像光学系と、を備える。
【０００９】
本発明の第５の態様の形状測定方法は、凹状の測定対象面の形状を測定する形状測定方法であって、測定対象面の少なくとも一部の像を、結像光学系を介して撮像することと、前記撮像の結果に基づいて、前記測定対象面の位置情報を算出することと、を含み、前記結像光学系の像面と共役な共役面が前記測定対象面に対して鋭角又は鈍角をなしている。
【００１０】
本発明の第６の態様の構造物の製造方法は、構造物の形状に関する設計情報を作製することと、前記設計情報に基づいて前記構造物を作製することと、作製された前記構造物の形状を請求項２２に記載の形状測定方法を用いて測定することと、前記測定により得られた形状情報と前記設計情報とを比較することと、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、凹部の内側の情報に関する測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の測定装置の外観を示す図である。
【図２】第１実施形態の光学プローブの外観を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態の光学プローブの外観を示す側面図である。
【図４】第１実施形態の光学プローブの構成を示す図である。
【図５】第１実施形態の光学プローブの光路を示す図である。
【図６】（Ａ）から（Ｃ）は、第１実施形態の測定装置の撮像素子と共役面の関係を示す図である。
【図７】第２実施形態の測定装置の光路を示す図である。
【図８】第２実施形態の測定装置の撮像素子との共役面を拡大して示す図である。
【図９】（Ａ）から（Ｃ）は、第２実施形態の測定装置の撮像素子と共役面の関係を示す図である。
【図１０】第３実施形態の測定装置の光路を示す図である。
【図１１】第３実施形態の測定装置の投影パターンを示す図である。
【図１２】第４実施形態の測定装置の光路を示す図である。
【図１３】第４実施形態の走査円板を示す図である。
【図１４】第１変形例の測定装置の結像光学系の構成を示す図である。
【図１５】第１変形例の測定装置の結像光学系の光路を示す図である。
【図１６】第２変形例の測定装置の結像光学系の構成を示す図である。
【図１７】第２変形例の測定装置の結像光学系の光路を示す図である。
【図１８】第３変形例の測定装置の結像光学系の構成を示す図である。
【図１９】第３変形例の測定装置の結像光学系の光路を示す図である。
【図２０】第４変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す斜視図である。
【図２１】第４変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す側面図である。
【図２２】第５変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す斜視図である。
【図２３】第５変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す側面図である。
【図２４】第１実施例における結像光学系の光路図である。
【図２５】第１実施例における結像光学系の各収差図である。
【図２６】第５実施形態による構造物製造システムの構成を示すブロック図である。
【図２７】第５実施形態による構造物製造システムによる処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。Ｚ軸方向は、例えば鉛直方向に設定され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、例えば、水平方向に平行で互いに直交する方向に設定される。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわりの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。
【００１４】
図１は、第１実施形態の測定装置の外観を示す図である。図１に示す測定装置（形状測定装置）１Ａは、ステージ装置（走査部）２と、光学プローブ３と、制御装置（位置情報取得部）４とを備える。光学プローブ３は、後述する撮像素子５及び結像光学系６を備える。測定装置１Ａは、ステージ装置２に保持された測定対象の物体（測定対象物）Ｍの穴（凹部）Ｍａの内側を光学プローブ３によって撮像し、物体Ｍの穴Ｍａの内側の情報を測定することができる。本実施形態の測定装置１Ａは、光切断法で穴Ｍａの内側の情報を測定することができる。本実施形態において、穴Ｍａの内側の情報は、穴Ｍａの内面Ｍｂ（内周面、凹状の測定対象面）の少なくとも一部に関する形状、寸法、凹凸分布、表面粗さ、及び測定対象面上の点の位置（座標）、の少なくとも１つを含む。
【００１５】
本実施形態のステージ装置２は、アクチュエータ等を含んで構成された駆動部を備える。ステージ装置２は、物体Ｍと光学プローブ３とを保持して、物体Ｍと光学プローブ３との相対位置を駆動部によって変化させることができる。すなわち、ステージ装置２は、物体Ｍの内面Ｍｂに対して結像光学系６の少なくとも一部を移動可能である。
【００１６】
本実施形態のステージ装置２は、物体Ｍを保持する第１保持部７と、光学プローブ３を保持する第２保持部８とを備える。ステージ装置２は、物体Ｍを保持した第１保持部７に対して、光学プローブ３を保持した第２保持部８を相対的に進退させることができる。すなわち、ステージ装置２は、光学プローブ３を物体Ｍに対して進退移動させることができる。本実施形態において、制御装置４は、ステージ装置２の駆動部を制御して、光学プローブ３と物体Ｍの相対位置を制御することができる。
【００１７】
本実施形態の第１保持部７は、物体Ｍを保持してθＺ方向に回転可能である。測定対象の物体Ｍは、穴Ｍａの内側を測定時に、穴Ｍａの開口を＋Ｚ側に向けて第１保持部７に保持される。本実施形態において、穴の深さ方向（延在方向）は、穴が物体を貫通している場合に、穴の内側に沿って穴の一方の開口と他方の開口とを結ぶ方向である。また、穴の深さ方向は、穴Ｍａが物体Ｍを貫通していない場合に、穴の内側に沿って穴の開口と底部とを結ぶ方向である。本実施形態において、穴Ｍａの開口を＋Ｚ側（上方）に向けて第１保持部７に保持されている物体Ｍの穴の深さ方向は、Ｚ軸方向とほぼ平行であるとする。
【００１８】
本実施形態の第２保持部８は、第１保持部７に対して＋Ｚ側（上方）に配置されている。第２保持部８は、光学プローブ３の長手方向とＺ軸方向がほぼ一致するように取り付けられている。第２保持部８は、光学プローブ３を保持してＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各方向に移動可能である。第２保持部８が穴Ｍａの測定時にＺ軸方向に移動すると、光学プローブ３は、物体Ｍに形成された穴Ｍａの形成方向に対して進退移動する。
【００１９】
本実施形態のステージ装置２は、第２保持部８に保持されている光学プローブ３の少なくとも一部が第１保持部に保持されている物体Ｍの穴Ｍａに挿入されるように、第２保持部８を移動することができる。ステージ装置２は、第１保持部７が光学プローブ３を通すことが可能な孔部を有し、第２保持部８に保持された光学プローブ３のすくなくとも一部を、上記の孔部を通して第１保持部７よりも下方に配置可能であってもよい。
【００２０】
本実施形態の測定装置１Ａは、光学プローブ３を穴Ｍａの深さ方向に断続的又は連続的に移動しながら、穴Ｍａの深さ方向の各位置で測定することができる。すなわち、測定装置１Ａは、穴Ｍａの三次元形状に関する情報を測定することができる。
【００２１】
なお、測定装置１Ａは、穴Ｍａだけに限られず、溝（凹部）の内面（測定対象面）を測定することも可能である。測定装置１Ａは、所定の方向に延在する溝（凹部）が形成された物体に対して、溝の内面の測定を行う場合に、溝の延在方向（形成方向）に光学プローブ３を移動させることもできる。溝の延在方向は、例えばＸＹ面に平行な方向でもよいし、ＸＹ面に交差する方向でもよい。
【００２２】
なお、測定装置１Ａは、例えば溝の深さ方向の寸法が深さ方向と交差する幅方向の寸法よりも大きい場合においても、例えば深さ方向の形状分布と、幅方向及び深さ方向に交差する方向（例えば延在方向）の形状分布の少なくとも一方について、測定精度を向上されることができる。測定装置１Ａは、例えば光学プローブ３を溝の深さ方向の形状分布を測定する場合に、光学プローブ３を溝の底面に対して進退移動することで、形状を測定することができる。
【００２３】
なお、第１保持部７は、Ｚ軸方向に移動可能でもよく、この場合に第２保持部８は、Ｚ軸方向に移動可能でも移動不能でもよい。第１保持部７は、Ｘ軸方向とＹ軸方向のうちの少なくとも１方向に移動可能でもよい。第１保持部７は、θＺ方向に回転不能でもよいし、θＸ方向とθＹ方向のうちの少なくとも１方向に回転可能でもよい。第２保持部８は、Ｘ軸方向とＹ軸方向のうちの少なくとも１方向に移動不能でもよいし、θＸとθＹとθＺ方向のうちの少なくとも１方向に回転可能でもよい。
【００２４】
また、測定装置１Ａは、第１保持部７と第２保持部８の少なくとも一方を備えていなくてもよい。例えば、測定装置１Ａは、机や地面等に配置されている物体に対して、光学プローブ３を保持した第２保持部８を配置して測定を行う構成でもよいし、光学プローブ３を人力等で移動させる構成でもよい。測定装置１Ａは、ステージ装置２を備えていなくてもよいし、ステージ装置２は、測定装置１Ａの外部の装置であってもよい。
【００２５】
本実施形態の制御装置４は、測定装置１Ａの各部を制御することと、光学プローブ３の測定結果に関する画像処理や補間処理、統計処理等の各種処理を実行することができる。本実施形態の制御装置４は、ＣＰＵ等を有するコンピュータシステムと、コンピュータシステムの外部の装置との通信を実行可能なインターフェースを含む。
【００２６】
なお、制御装置４は、測定装置１Ａの各部の制御に要する各種処理を実行するＡＳＩＣ等の論理回路を含んでいてもよく、コンピュータシステムを含んでいなくてもよい。制御装置４は、制御装置４へ信号を入力可能な入力装置が接続されていてもよい。上記の入力装置は、キーボード、マウス等の入力機器、あるいはコンピュータシステムの外部の装置からのデータを入力可能な通信装置のうちの１種又は２種以上でもよい。制御装置４は、液晶表示ディスプレイ等の表示装置を含んでいてもよいし、表示装置と接続されていてもよい。制御装置４は、測定装置１Ａの外部の装置であってもよい。
【００２７】
次に、光学プローブ３について説明する。図２は、第１実施形態の光学プローブの外観を示す斜視図である。図３は、第１実施形態の光学プローブの外観を示す側面図である。図４は、第１実施形態の光学プローブの光学系の構成を示す図である。図５は、第１実施形態の光学プローブの光路を示す図である。
【００２８】
図４及び図５に示す光学プローブ３は、撮像素子５と、撮像素子５に穴Ｍａの内面Ｍｂの少なくとも一部の像を結像する結像光学系６とを備える。結像光学系６は、撮像素子５との共役面１０を穴Ｍａの深さ方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜するように形成する。
【００２９】
本実施形態の結像光学系６は、レンズ、開口絞り等の複数の光学素子を含む。本実施形態の結像光学系６において、複数の光学素子は、所定の方向（Ｚ軸方向）に沿って並ぶように配列されている。本実施形態の結像光学系６は、Ｚ軸方向と平行な軸に関して軸対称な光学系である。本実施形態において、共役面１０は、結像光学系６の対称軸を回転中心とする円錐の側面の少なくとも一部を含む。結像光学系６は、例えば複数の光学素子の配列方向（Ｚ軸方向）に深さ方向を合わせてステージ装置２に配置された穴に対して、穴と干渉することなく穴の内側に進退可能である。
【００３０】
なお、結像光学系６は、複数の光学素子のうちの１つ以上が他の光学素子の列から外れて配置されていてもよい。結像光学系６は、例えば、結像光学系６の光路の途中にミラー等の偏向部材が配置されており、この偏光部材の前段と後段とで光軸が折れ曲がっていてもよい。結像光学系６は、光学素子の配列方向が複数ある場合に、配列方向が同じである光学素子のグループにおける共役面側の光学素子から撮像面側までの光学素子までの距離（光路長）を比較して、その距離が最も長いグループの配列方向を主たる配列方向と見なすことができる。すなわち、結像光学系６に配列方向が同じであるグループが複数含まれる場合に、共役面１０は、複数のグループのうち共役面側の光学素子から撮像面側までの光学素子までの距離が最も長いグループの配列方向に対して傾斜していてもよい。また、光学プローブ３は、複数のグループのうち共役面側の光学素子から撮像面側までの光学素子までの距離が最も長いグループの配列方向に進退可能でもよい。
【００３１】
本実施形態の光学プローブ３は、光源部１１と、光源部１１からの光Ｌを物体Ｍの穴Ｍａの内面Ｍｂへ照射する照射部１２とを備える。また、本実施形態の光学プローブ３は、図２及び図３に示すように、結像光学系６の少なくとも一部を収容する筐体１３と、照射部１２の少なくとも一部を支持する支持部材１４とを備える。
【００３２】
図５に示すように、光源部１１からの光Ｌは、結像光学系６を通った後、照射部１２によって共役面１０に沿う方向へ照射される。本実施形態において、光源部１１と結像光学系６と照射部１２は、穴Ｍａの内側を照明する照明光学系を構成している。測定装置１Ａは、上記の照明光学系により照明された穴Ｍａの内面Ｍｂを結像光学系６を介して撮像素子５により撮像することによって、穴Ｍａの内側（内周面）における複数の位置の情報を一度に測定することができる。
【００３３】
本実施形態の撮像素子５は、二次元的に配列された複数の画素を有し、各画素に入射した光の光量を画素ごとに検出することができる。以下の説明において、撮像素子５の複数の画素が配列されている領域を受光領域という。撮像素子５は、例えばＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサーを含んで構成される。本実施形態において、撮像素子５によって撮像された結果を示す情報は、制御装置４へ送信される。制御装置４は、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を示す情報（走査部の位置情報）、及び撮像素子５の撮像結果を示す情報（撮像素子の画像情報）に基づいて、穴Ｍａの内面Ｍｂの情報（測定対象面の位置情報）を取得する。
【００３４】
本実施形態の光源部１１は、光源１５と、光源１５から発せられた光Ｌをコリメートするコリメータ１６と、コリメータ１６によりコリメートされた光Ｌを結像光学系６へ導くハーフミラー（導光部材）１７とを備える。
【００３５】
本実施形態の光源１５は、半導体レーザー素子を含んで構成されている。光源１５は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源、ハロゲンランプ等のランプ光源、ファイバー光源等の各種光源の１種又は２種以上を含んで構成されていてもよい。
【００３６】
ハーフミラー１７は、コリメータ１６によりコリメートされた光Ｌの少なくとも一部が反射する特性を有する。本実施形態において、ハーフミラー１７のうちコリメータ１６からの光Ｌが反射する面は、コリメータ１６の光軸に対して、ほぼ４５°の角度をなしている。なお、この面がコリメータ１６の光軸となす角度は、４５°未満でもよいし、４５°より大きくてもよい。光源１５から発せられてコリメータ１６を通った光Ｌのうち、ハーフミラー１７で反射した光Ｌは、結像光学系６へ入射する。
【００３７】
なお、光源部１１の少なくとも一部、例えば光源１５とコリメータ１６の少なくとも一方は、測定装置１Ａに含まれていなくてもよく、測定装置１Ａの外部の装置に含まれていてもよい。
【００３８】
本実施形態の結像光学系６は、複数のレンズ（光学素子）で構成される組レンズ１８と、組レンズ１８内の光路に配置された開口絞り（光学素子）１９と、偏向部材（光学素子）２０とを含む。本実施形態の結像光学系６は、軸対称な光学系である。
【００３９】
本実施形態において、組レンズ１８の各レンズは、軸対称な光学素子で構成されている。組レンズ１８のレンズは、各レンズの光軸が複数のレンズで互いにほぼ一同軸になるように、所定の方向に沿って配列されている。組レンズ１８のレンズは、開口絞り１９に関して対称的に設けられている。組レンズ１８は、物体面側（共役面１０側）と像面側（撮像素子５側）とでほぼテレセントリックな両側テレセントリック光学系を構成している。本実施形態の結像光学系６の光軸は、組レンズ１８の光軸２１とほぼ同軸である。組レンズ１８の光軸２１は、撮像素子５の受光領域に対してほぼ垂直であり、ハーフミラー１７においてコリメータ１６からの光Ｌが反射する面に対して、ほぼ４５°の角度をなしている。
【００４０】
本実施形態において、光源１５から発せられてハーフミラー１７で反射した光Ｌは、組レンズ１８の光軸２１とほぼ平行に伝播して、組レンズ１８のうち光軸２１の近傍の部分へ入射する。光源部１１から組レンズ１８へ入射した光Ｌは、開口絞り１９を通って組レンズ１８から出射し、偏向部材２０へ入射する。
【００４１】
本実施形態の偏向部材２０は、組レンズ１８の光軸２１を中心として、軸対称な形状である。本実施形態の偏向部材２０は、円錐台状であり、組レンズ１８を向く面（以下、下底面２２という）と、下底面２２とは反対側を向く面（以下、上底面２３という）と、下底面２２の外周と上底面２３の外周とを結ぶ面（以下、側面２４という）とを有する。
【００４２】
本実施形態の偏向部材２０は、光源部１１から組レンズ１８を通って入射してくる光Ｌに対して、透明な媒質で構成されている。偏向部材２０は、ガラスの研削により形成されたものでもよいし、熱可塑性樹脂による射出成形により形成されたものでもよい。
【００４３】
本実施形態において、光源部１１から出射して組レンズ１８を通った光Ｌは、偏向部材２０の下底面２２へ入射して上底面２３から出射し、照射部１２へ入射する。偏向部材２０から照射部１２へ入射した光Ｌは、照射部１２で反射して共役面１０へ沿って伝播し、穴Ｍａの内面Ｍｂのうち共役面１０と交わる部分に照射される。
【００４４】
本実施形態において、穴Ｍａの内面Ｍｂに照射された光Ｌは、その少なくとも一部が内面Ｍｂで散乱（反射）して偏向部材２０の側面２４へ入射する。穴Ｍａの内面Ｍｂから偏向部材２０の側面２４へ入射した光Ｌは、偏向部材２０の内部を通り、偏向部材２０への入射側と光軸２１を挟んで反対側の側面２４の内面側で全反射条件を満たすことにより反射する。穴Ｍａの内面Ｍｂから偏向部材２０へ入射して側面２４の内面側で反射した光Ｌは、側面２４での反射前に対して偏向し、下底面２２を通って偏向部材２０から出射する。穴Ｍａの内面Ｍｂから偏向部材２０へ入射して偏向部材２０から出射した光Ｌは、組レンズ１８及び開口絞り１９を通り、その少なくとも一部がハーフミラー１７を通って撮像素子５の受光領域で結像する。
【００４５】
このように、本実施形態の結像光学系は、光軸２１とほぼ平行な第１光路２５と、第１光路２５に対して傾斜して第１光路２５と共役面１０とを結ぶ第２光路２６とを有する。光源部１１で発せられた光Ｌは、組レンズ１８の光路の少なくとも一部を含む第１光路２５を通って照射部１２を経由し、穴Ｍａの内面Ｍｂに照射される。また、穴Ｍａの内面Ｍｂからの光Ｌは、共役面１０から偏向部材２０の側面２４の内面までの第２光路２６を通って偏向部材２０により偏向した後に、組レンズ１８内の第１光路２５を通って撮像素子５の受光領域で結像する。
【００４６】
次に、偏向部材２０と照射部について、より詳しく説明する。以下の説明において、撮像素子５の受光領域から結像光学系６へ仮想的に発せられた光を仮想光という。本実施形態において、偏向部材２０の下底面２２のうち、仮想光が組レンズ１８から入射する領域は、ほぼ平面である。偏向部材２０は、下底面２２が組レンズ１８の光軸２１に対してほぼ直交するように、配置されている。なお、偏向部材２０は、下底面２２の少なくとも一部が曲面でもよい。
【００４７】
本実施形態において、偏向部材２０の上底面２３のうち、光源部１１から組レンズ１８を通って下底面２２へ入射した光Ｌが通過する領域は、ほぼ平面である。上底面２３は、組レンズ１８の光軸２１に対してほぼ直交している。本実施形態の偏向部材２０は、上底面２３が下底面２２よりも小さい。なお、偏向部材２０は、上底面２３の少なくとも一部が曲面でもよく、上底面２３が下底面２２よりも大きくてもよい。
【００４８】
本実施形態において、側面２４は、光軸２１に直交する断面の外径が下底面２２から上底面２３に向って縮小するテーパ面を含む。本実施形態において、側面２４は、上記の仮想光のうち組レンズ１８及び下底面２２を通って側面２４で反射して入射してくる主光線に対して、ほぼ直交している。すなわち、本実施形態において、撮像素子５に結像する光Ｌのうちの主光線は、穴Ｍａの内面Ｍｂから偏向部材２０へ入射するときに側面２４でほぼ屈折しない。
【００４９】
本実施形態の照射部１２は、反射部材２７を含む。反射部材２７は、結像光学系の光軸（組レンズ１８の光軸２１）を中心として軸対称な形状である。光源部１１から結像光学系６へ入射して偏向部材２０の上底面２３から出射した光Ｌは、反射部材２７の頂点近傍の表面に入射して反射し、結像光学系６の光軸に対して軸対称なシート光となり、共役面１０に沿って伝播する。このシート光は、結像光学系６の光軸２１に直交する面におけるスポット形状がほぼ円環状のパターン光であり、テーパ状の光切断面を形成する。
【００５０】
なお、反射部材２７は、光源部１１から偏向部材２０を通って入射してくる光Ｌが全反射条件を満たすことで反射する構成でもよい。また、反射部材２７は、反射型の回折光学素子を含んで構成されていてもよい。この回折光学素子は、偏向部材２０から入射してくる光Ｌが反射するとともに回折し、回折した光が共役面１０に沿って伝播するように、構成されていてもよい。
【００５１】
図２及び図３に示すように、本実施形態の筐体１３は、長手方向の一端を含む先端部３０と、長手方向の他端を含む基端部３１とを有する。筐体１３は、長手方向（Ｚ軸方向）に直交する断面形状がほぼ円環状の筒形状である。
【００５２】
本実施形態の先端部３０は、結像光学系６の少なくとも一部を収容している。本実施形態の先端部３０は、いわゆる鏡筒である。組レンズ１８のレンズは、筐体１３と同軸状に配列されて先端部３０に収容されている。先端部３０に収容されているレンズは、先端部３０との相対位置が固定されている。偏向部材２０の少なくとも一部は、筐体１３の外部に配置されている。偏向部材２０は、先端部３０に対して基端部３１とは反対側に向って、先端部３０から突出している。
【００５３】
本実施形態において、基端部３１は、先端部３０との相対位置が固定されている。基端部３１は、撮像素子５、及び光源部１１のハーフミラー１７を収容している。撮像素子５は、基端部３１との相対位置が固定されており、先端部３０に収容されている光学素子に対する相対位置が固定されている。筐体１３の長手方向に直交する断面の寸法は、先端部３０の外径が基端部３１の外径よりも小さく、先端部３０の内径が基端部３１の内径よりも小さい。
【００５４】
なお、筐体１３は、長手方向に直交する断面が角型の環状の筒状でもよい。筐体１３の内面と外面の少なくとも一方は、長手方向に直交する断面の寸法が長手方向で連続的に変化するテーパ状でもよい。先端部３０と基端部３１との相対位置は、可変であってもよい。先端部３０は、偏向部材２０の全体を収容していてもよいし、結像光学系６以外の要素を収容していてもよい。基端部３１は、光源部１１の光源１５とコリメータ１６の少なくとも一方を収容していてもよいし、ハーフミラー１７を収容していなくてもよく、結像光学系６の光学素子の少なくとも１つを収容していてもよい。
【００５５】
本実施形態の光学プローブ３は、測定時に筐体１３の長手方向（光学素子の配列方向）がステージ装置２の第２保持部８の第１保持部７に対する進退方向（Ｚ軸方向）とほぼ平行になるように、第２保持部８に保持される。光学プローブ３は、測定時に筐体１３の先端部３０と基端部３１のうちで先端部３０が第１保持部７を向くように、基端部３１が第２保持部８に取り付けられる。
【００５６】
本実施形態の測定装置１Ａは、筐体１３の先端部３０の外径が基端部３１の外径よりも小さいので、光学プローブ３の先端部３０側を穴Ｍａに挿入しやすい。また、測定装置１Ａは、筐体１３の長手方向に直交する面での外形がほぼ円形であるので、光学プローブ３の少なくとも一部が穴Ｍａへ挿入された状態で、筐体１３の外周面が穴Ｍａの内面と干渉（衝突）しにくい。
【００５７】
本実施形態の支持部材１４は、筐体１３の長手方向における先端部３０の端面に設けられて筐体１３の長手方向に延びる柱状の支柱部３２と、支柱部３２に対して筐体１３とは反対側に設けられたミラー保持体３３とを含む。本実施形態の支持部材１４は、筐体１３の長手方向から見て筐体１３の先端部３０の外周の内側に収まる形状及び寸法である。本実施形態のミラー保持体３３は、支柱部３２に垂直な円板状である。ミラー保持体３３は、支柱部３２と固定されており、反射部材２７を偏向部材２０に向けて保持している。すなわち、反射部材２７は、支持部材１４を介して筐体１３に支持されている。
【００５８】
なお、照射部１２の少なくとも一部は、支柱部３２に取付けられて支持されていてもよく、この場合に、ミラー保持体３３は省略可能である。照射部１２の少なくとも一部は、筐体１３とは別の部材に支持されていてもよい。例えば、反射部材２７は、測定対象の物体の穴が貫通孔である場合に、この穴において光学プローブ３が挿入される開口とは反対側の開口を通して、例えばステージ装置２等に支持されていてもよい。
【００５９】
また、照射部１２は、偏向部材２０に対して第１光路２５とは反対側に配置された光源から発せられた光を穴の内面へ照射する構成でもよい。この光源は、例えば、測定対象の物体の穴が貫通孔である場合に、穴の外側に配置されており、光学プローブ３が挿入される第１の開口とは反対側の第２の開口を通して照射部１２へ光を発してもよいし、第２の開口を通して穴の内側に配置されており、照射部１２へ光を発してもよい。この光源は、ステージ装置２に支持されていてもよい。
【００６０】
本実施形態において、図５に示す共役面１０は、結像光学系６の光軸（組レンズ１８の光軸２１）と軸外物点を含む面（メリジオナル面）において、撮像素子５の受光領域と互いに共役である。共役面１０は、結像光学系６を構成する光学素子のうちで偏向部材２０の次に撮像素子から遠い光学素子の光軸とこの光軸に関する軸外物点とを含む面において、撮像素子５と共役であってもよい。また、共役面１０は、結像光学系６の瞳における光軸とこの光軸に関する軸外物点とを含む面において、撮像素子５と共役であってもよい。
【００６１】
本実施形態において、撮像素子５の受光領域の各点は、共役面１０上の点と１対１で対応している。すなわち、穴Ｍａの内面Ｍｂのうち共役面１０と交わる線上の点の像（メリジオナル像）は、この点に対応する撮像素子５の受光領域上の点に結像する。したがって、撮像素子５で検出される輝度ピーク等から、照射部１２から照射された光Ｌ（光切断光）が穴の内面にあたる点を特定することができる。
【００６２】
ここで、撮像素子５の画素ピッチをＰ、共役面１０が光軸２１となす角度をθとし、説明の便宜上、結像光学系６が等倍系であるとする。なお、結像光学系６は、縮小系、拡大系、倍率を可変な系のいずれでもよい。共役面１０上で撮像素子５の各画素と共役である領域（以下、共役面上の画素という）は、結像光学系６が等倍系である場合に、共役面１０上でのピッチがＰである。共役面上の画素のピッチは、光軸２１に平行な方向へ射影するとＰｃｏｓθになり、光軸２１に直交する面へ射影するとＰｓｉｎθになる。本実施形態において、角度θは、共役面１０が光軸２１に対して傾斜しており、θの絶対値が０°より大きい。したがって、共役面上の画素は、共役面が結像光学系の光軸と直交する構成（θ＝０°）と比較して、光軸２１に平行な方向と光軸２１に直交する面内で狭ピッチになる。このように、本実施形態の測定装置１Ａは、実質的な測定の解像度を向上させることができ、穴の内側の情報に関する測定精度を向上させることができる。
【００６３】
本実施形態の結像光学系６は、共役面１０の少なくとも一部を、結像光学系６のうちで最も共役面１０に近い光学素子（偏向部材２０）に対して、撮像素子５とは反対側に形成する。すなわち、共役面１０の少なくとも一部は、物体Ｍに対する光学プローブ３の進退方向に関して偏向部材２０よりも前方（穴の奥側）に配置されている。したがって、測定装置１Ａは、偏向部材２０よりも前方における穴Ｍａの内面Ｍｂを測定しやすくなり、例えば穴の底部の測定精度を向上させることができる。なお、結像光学系６は、共役面１０の少なくとも一部を、結像光学系６のうちで最も共役面１０に近い光学素子に対して撮像素子５と同じ側に形成してもよい。
【００６４】
また、測定装置１Ａは、照射部１２が共役面１０に沿うように光Ｌを照射するので、光Ｌがあたる位置における内面Ｍｂの像のピントが撮像素子５で合うことになり、測定精度を向上させることや合焦に要する手間を省くこともができる。また、測定装置１Ａは、結像光学系６が光軸２１を中心に回転対称であるので、穴Ｍａの内面Ｍｂのうち光切断光があたる箇所について２点以上の位置の情報を一括して測定することができる。本実施形態において、測定装置１Ａは、穴Ｍａの内面Ｍｂを光軸２１まわりの周方向のほぼ全周にわたって、一括して撮像することができる。
【００６５】
また、結像光学系６は、共役面１０側（物体面側）でテレセントリックな光学系であるので、穴Ｍａの径の変化に対して測定精度を均一に保つことができる。また、結像光学系６は、筐体１３の長手方向に延びる第１光路２５と、第１光路２５に対して傾斜した第２光路２６とを有しているので、測定装置１Ａは、深い穴の内側を測定することが容易である。
【００６６】
なお、穴Ｍａの内面Ｍｂの一部は、支持部材１４の支柱部３２の陰になる場合がある。測定装置１Ａは、例えば第１保持部７をθＺ方向に回転させることによって、物体Ｍと光学プローブ３とのθＺ方向の相対的な位置を変化させ、回転前に支持部材１４の支柱部３２の陰になっていた部分を測定することもできる。また、照射部１２は、光軸２１の周りの周方向の一部に光を照射してもよい。この場合に、測定装置１Ａは、物体Ｍと光学プローブ３とのθＺ方向の相対的な位置を変化させ、光軸２１の周りの周方向の一部又は全部を測定可能でもよい。測定装置１Ａは、穴Ｍａの内側のうち光軸２１の周りの周方向の一部を測定しなくてもよい。
【００６７】
本実施形態の偏向部材２０は、結像光学系６の他の光学素子に対して相対的に、光軸２１と平行な方向に移動可能である。上記の他の光学素子は、組レンズにおける複数のレンズと開口絞り１９のうちの少なくとも１つである。
【００６８】
図６（Ａ）から図６（Ｃ）は、第１実施形態の測定装置の撮像素子と共役面の関係を示す図である。詳しくは、図６（Ａ）は、図６（Ｂ）における偏向部材２０の位置を基準として、偏向部材２０が組レンズ１８に近づいた状態を示す図である。図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）における偏向部材２０の位置を基準として、偏向部材２０が組レンズ１８から遠ざかった状態を示す図である。
【００６９】
図６（Ａ）から図６（Ｃ）に示すように、偏向部材２０が他の光学素子に対して光軸２１と平行な方向に移動すると、共役面１０は、光軸２１に平行な方向と光軸２１に対する放射方向とに移動する。
【００７０】
例えば、偏向部材２０が図６（Ｂ）に示す位置から光軸２１に沿って組レンズ１８から近づく位置（図６（Ａ）参照）に移動すると、共役面１０の位置は、光軸２１と直交する方向に光軸２１から離れた位置へ変化する。したがって、測定装置１Ａは、偏向部材２０の移動前と比較して、光軸２１に直交する方向で光軸２１から離れた位置の穴Ｍａの内面Ｍｂを測定することができる。また、例えば、偏向部材２０が図６（Ｂ）に示す位置から光軸２１に沿って組レンズ１８に離れる位置（図６（Ｃ）参照）に移動すると、共役面１０の位置は、光軸２１と直交する方向に光軸２１に接近した位置へ変化する。したがって、測定装置１Ａは、偏向部材２０の移動前と比較して、光軸２１に直交する方向で光軸２１に近い位置の穴Ｍａの内面Ｍｂを測定することができる。このように、測定装置１Ａは、光軸２１に直交する方向における測定範囲を変化させることができる。
【００７１】
本実施形態の照射部１２は、照射部１２から照射される光Ｌが共役面１０に沿って伝播するように、光Ｌが伝播する面を偏向部材２０の移動に追従させて調整することができる。本実施形態の測定装置１Ａは、反射部材２７を支持した支持部材１４が筐体１３に対して光軸２１と平行な方向に進退移動することによって、反射部材２７から光Ｌが伝播する面を調整することができる。本実施形態において、反射部材２７は、偏向部材２０が組レンズ１８から離れるにしたがって偏向部材２０に近づくように、光軸２１に平行な方向の位置が調整される。
【００７２】
なお、測定装置１Ａは、偏向部材２０と反射部材２７とを連動させて移動する機構を備えていてもよいし、偏向部材２０を移動させる第１機構と反射部材２７を移動させる第２の機構とを備えていてもよい。上記の機構は、例えばヘリコイド機構等でもよい。測定装置１Ａは、上記の機構をアクチュエータ等の駆動部で動作させる構成でもよいし、上記の機構を手動で動作させる構成でもよい。制御装置４は、偏向部材２０と反射部材２７の少なくとも一方を移動させる機構を駆動する駆動部を制御可能でもよい。
【００７３】
上記の実施形態において、組レンズ１８は、各レンズの光軸が同軸状であるが、少なくとも１つのレンズの光軸が他のレンズに対して偏心していてもよい。上記の実施形態において、組レンズ１８は、透過型の光学素子で構成されているが、反射型の光学素子を含んでいてもよい。
【００７４】
上記の実施形態において、偏向部材は、組レンズ１８の光軸の周りで軸対称な形状であるが、組レンズ１８の光軸の周りで非対称な形状でもよい。この場合に、偏向部材は、組レンズ１８の光軸のまわりの周方向に、測定対象の物体に対して相対的に回転可能でもよく、共役面１０は、偏向部材と物体との相対的な回転の回転軸とこの回転軸以外の物点を含む面において、撮像素子５と共役でもよい。
【００７５】
上記の実施形態において、偏向部材は、全反射条件によって光が反射して偏向する構成であるが、鏡面で光が反射して偏向する構成でもよい。この偏向部材は、凹面鏡等の軸対称な形状でもよく、この場合に対称軸が組レンズ１８の光軸とほぼ同軸でもよい。また、偏向部材は、組レンズ１８から出射した光が伝播する方向のまわりで、軸非対称な形状でもよい。例えば、偏向部材は、平面ミラー等の光が反射する平面状の反射面を含み、この反射面が組レンズ１８の光軸に対して傾斜していてもよい。この場合に、測定装置は、偏向部材の平面状の反射面を、組レンズ１８の光軸のまわりの周方向に測定対象の物体に対して相対的に回転可能でもよく、共役面１０は、偏向部材と物体との相対的な回転の回転軸とこの回転軸以外の物点を含む面において、撮像素子５と共役でもよい。
【００７６】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素については、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。
【００７７】
図７は、第２実施形態の測定装置の光路を示す図である。図８は、第２実施形態の測定装置の撮像素子との共役面を拡大して示す図である。
【００７８】
図７に示す測定装置１Ｂは、第１実施形態と同様の撮像素子５及び結像光学系６（光学プローブ３）を備える。本実施形態において、測定装置１Ｂは、第１実施形態で説明した反射部材２７を含んでいない。本実施形態において、偏向部材２０は、物体Ｍの穴Ｍａに対する進退方向で光学プローブ３のうちで最も前方（先端）に配置されている。すなわち、本実施形態の測定装置１Ｂは、穴Ｍａの内側に挿入されて最も先端に配置される部材が偏向部材２０である。
【００７９】
本実施形態の測定装置１Ｂは、ＳＦＦ（Ｓｈａｐｅ Ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓ）法で測定対象の物体の穴の内側を測定することができる。測定装置１Ｂは、結像光学系６の光軸に沿って測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置を変化させながら、焦点位置が異なる複数の位置で物体Ｍの穴Ｍａの内側を撮像することができる。本実施形態において、測定装置１Ｂは、第１実施形態で説明したステージ装置２によって、測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置を変化させることができる。
【００８０】
測定装置１Ｂは、像界における撮像素子５上の点と共役な物界の点、すなわち図８に示す共役面１０が穴Ｍａの内面Ｍｂと交差する線上の点においてピントが合う。したがって、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置は、撮像素子５によって撮像された画像において合焦測度が最大となる位置を求めることにより、検出することができる。上記の合焦測度は、合焦の程度を数値化したパラメータであり、測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置によって変化する。本実施形態において、測定装置１Ｂは、撮像素子５が撮影した画像を第１実施形態で説明した制御装置４が画像処理することによって、合焦測度を算出し、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置を求めることができる。撮像素子５が撮影した画像は、制御装置４とは別の装置によって解析されてもよく、この装置は、測定装置１Ｂの外部の装置でもよい。
【００８１】
なお、測定装置１Ｂにより穴Ｍａの内側を撮影するときに穴Ｍａの内側を照明する照明光は、光源装置から発せられる光でもよいし、穴Ｍａの開口から内側へ入射する自然光でもよい。上記の照明光の少なくとも一部は、結像光学系６の少なくとも一部、例えば第１実施形態で説明した第１光路２５を通ってもよいし、通らなくてもよい。上記の光源装置の少なくとも一部は、測定装置１Ｂの一部でもよいし、測定装置１Ｂの外部の装置でもよい。例えば、上記の光源装置は、その一部が第１実施形態で説明した筐体１３に取り付けられていてもよい。上記の光源装置は、穴Ｍａの内側に配置されて内面Ｍｂを照明してもよいし、穴Ｍａの外側に配置されて穴Ｍａの開口を通して内面Ｍｂを照明してもよい。
【００８２】
本実施形態の偏向部材２０は、結像光学系６の他の光学素子に対して相対的に、光軸２１と平行な方向に移動可能である。上記の他の光学素子は、組レンズにおける複数のレンズと開口絞り１９のうちの少なくとも１つである。偏向部材２０と他の光学素子との相対位置を変化させる機構や駆動部については、第１実施形態と同様である。
【００８３】
図９（Ａ）から図９（Ｃ）は、第２実施形態の測定装置の撮像素子と共役面の関係を示す図である。図９（Ａ）から図９（Ｃ）に示すように、偏向部材２０が光軸２１に沿って組レンズ１８に離れるにつれて、共役面１０の位置は、光軸２１と直交する方向に光軸２１へ近づくように変化する。このように、測定装置１Ｂは、光軸２１に直交する方向における測定範囲を変化させることができる。
【００８４】
本実施形態の測定装置１Ｂは、実質的な測定の解像度を向上させることができ、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、共役面１０の少なくとも一部は、穴Ｍａに挿入される部位のうち最も先端に位置する偏向部材２０よりも前方に配置されるので、物体を貫通していない穴の内側を測定する場合に、光学プローブ３が穴の底部に接触するよりも前に、共役面１０が穴の底部に到達することになる。したがって、測定装置１Ｂは、穴の底部に接触させないで穴の底部付近を測定することもできる。
【００８５】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態において、上記の実施形態と同様の構成要素については、上記の実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。
【００８６】
図１０は、第３実施形態の測定装置の光路を示す図である。図１１は、第３実施形態における投影パターンを示す図である。図１０に示す測定装置１Ｃは、光源部４０と、相対位置検出機構４８と、第１実施形態と同様の撮像素子５及び結像光学系６（光学プローブ３）とを備える。本実施形態の制御装置４は、合焦測度算出部４６及び形状情報取得部４７を備える。なお、本実施形態の測定装置１Ｃは、第１実施形態で説明した反射部材２７を含んでいない。
【００８７】
本実施形態の測定装置１Ｃは、ＳＦＦ法で測定対象の物体の凹部の内面を測定することができる。ＳＦＦ法で測定を行う場合に、例えば測定対象の領域が鏡面であったりテクスチャを有していなかったりすると、合焦しているか否かを検出しにくいことがある。本実施形態の測定装置１Ｃは、テクスチャパターンを投影しつつ、結像光学系６の光軸に沿って測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置を変化させながら、焦点位置が異なる複数の位置で物体Ｍの穴Ｍａの内側を撮像することができる。
【００８８】
相対位置検出機構４８は、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を検出することができる。相対位置検出機構４８は、例えば図１に示した光学プローブ３と第１保持部７との相対位置の変化を検出することによって、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を検出してもよい。相対位置検出機構４８は、例えば光学的に相対位置を検出するセンサーを含んでいてもよい。相対位置検出機構４８は、光学プローブ３と第１保持部７との相対位置を管理する機構の一部、例えばステージ装置２の一部であってもよい。
【００８９】
制御装置４の合焦測度算出部４６は、撮像素子５から出力される信号に基づいて、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置に応じた合焦測度を算出する。合焦測度は、例えば合焦位置からの位置のずれ量を示すパラメータである。なお、合焦測度は、例えば、以下の方法により求められる。第１の方法は、合焦測度を取得する対象画素と隣接画素との明度差又は輝度値差から得る方法である。第２の方法は、合焦測度を取得する対象領域の複数の画素から得られる明るさ値と、対象領域の近傍の領域における複数の画素から得られる明るさに基づく値との差から得る方法である。第３の方法は、合焦測度を取得する領域の空間周波数分布のうち相対的に高い空間周波数成分に基づいて、合焦測度求める方法である。
【００９０】
形状情報取得部４７は、相対位置検出機構４８の検出結果を示す情報、及び合焦測度算出部４６の算出結果を示す情報に基づいて、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を異ならせた場合に合焦測度が最大となる相対位置を求めることができる。
【００９１】
本実施形態の測定装置１Ｃは、第２実施形態と同様に、ステージ装置２によって測定対象の物体Ｍと結像光学系６との相対位置を変化させ、制御装置４の合焦測度算出部４６によって合焦測度を算出する。そして、測定装置１Ｃは、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を示す情報として相対位置検出機構４８から出力される位置情報、及び焦測度算出部４６の算出結果を示す情報に基づいて、合焦測度が最大となる撮像面の位置を形状情報取得部４７により特定する。このようにすることで、測定装置１Ｃは、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置を求めることができる。また、測定装置１Ｃは、内面Ｍｂの形状を示す情報として、内面Ｍｂ上の各点の位置（座標）の分布を示す情報を求めることもできる。
【００９２】
本実施形態の光源部４０は、光源４１と、光源４１から発せられた光束を平行化するコンデンサレンズ４２と、光源４１から発せられてコンデンサレンズ４２を通った光が入射する位置に配置された投影パターン４３と、第１実施形態と同様のハーフミラー１７とを含む。
【００９３】
本実施形態の光源４１は、ＬＥＤやハロゲンランプ、ファイバー光源等の各種光源の１種又は２種以上で構成される。光源４１は、半導体レーザー素子を含んで構成されていてもよく、この場合に、光源４１とコンデンサレンズ４２との間の光路に、光源４１から発せられた光の配向特性を制御する拡散部材が配置されていてもよい。この拡散部材は、例えばすりガラス等の拡散板やＣＧＨ等の回折光学素子等で構成されていてもよい。
【００９４】
本実施形態の投影パターン４３は、光源４１から発せられてコンデンサレンズ４２を通った光によって、照明される。本実施形態の投影パターン４３は、撮像素子５の受光領域及び結像光学系６が形成する共役面１０のそれぞれと共役な位置に配置されている。光源４１からコンデンサレンズ４２を通って投影パターン４３に入射した光のうち、投影パターン４３を通った光は、テクスチャパターンを示すパターン光となり、結像光学系６を通って穴Ｍａの内面Ｍｂに照射される。このパターン光は、穴Ｍａの内面Ｍｂと共役面１０とが交わる線上で結像し、内面Ｍｂにテクスチャパターンが投影される。このように、本実施形態において、光源４１及びコンデンサレンズ４２は、投影パターン４３を照明する照明光学系を構成しており、結像光学系６は、照明光学系によって照明された投影パターン４３の像（テクスチャパターン）を投影する投影光学系を構成している。
【００９５】
図１１に示す投影パターン４３は、例えばフォトマスク等であり、光源４１からの光に対して透過率が異なる明部４４と暗部４５とを有する。明部４４は、光源４１からの光に対する透過率が暗部４５よりも高い。本実施形態において、暗部４５は、光源４１からの光をほぼ透過しない。
【００９６】
本実施形態において、明部４４と暗部４５は、投影パターン４３を通る光のスポットの中心を通る中心軸に対する放射方向に、交互に繰り返し配置されている。上記の中心軸は、結像光学系６の光軸と等価な軸であり、結像光学系６の光軸をハーフミラー１７で折り曲げた軸に相当する。本実施形態において、投影パターン４３は、上記の中心軸と交差する部分がほぼ円形の暗部４５であり、この暗部４５の外側の部分が円環状の明部４４及び暗部４５である。円環状の明部４４と暗部４５は、同心状に中心位置を揃えて配列されている。すなわち、投影パターン４３は、上記の中心軸に関して軸対称である。
【００９７】
本実施形態の偏向部材２０は、結像光学系６の他の光学素子に対して相対的に、光軸２１と平行な方向に移動可能である。上記の他の光学素子は、組レンズを構成する複数のレンズ要素と開口絞り１９のうちの少なくとも１つである。偏向部材２０と他の光学素子との相対位置を変化させる機構や駆動部については、第１実施形態と同様である。
【００９８】
本実施形態の測定装置１Ｃは、実質的な測定の解像度を向上させることができ、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｃは、物体Ｍの穴Ｍａの内面Ｍｂにパターンを投影するので、合焦しているか否かを高精度に検出することが可能であり、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｃは、穴Ｍａの内面Ｍｂに投影されるパターンが結像光学系６の光軸に対して軸対称であるので、メリジオナル光線の合焦を検出しやすくなり、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。
【００９９】
なお、測定装置１Ｃは、第２実施形態と同様に、穴の底部に接触させないで穴の底部付近を測定することや、光軸２１に直交する方向における測定範囲を変化させることもできる。投影パターンは、明部又は暗部が直交格子状であるパターンや、明部と暗部が多角形であり規則的に並ぶ三角格子状等のパターン等でもよい。
【０１００】
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態において、上記の実施形態と同様の構成要素については、上記の実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。
【０１０１】
図１２は、第４実施形態の測定装置の光路を示す図である。図１３は、第４実施形態の走査円板を示す図である。図１２に示す測定装置１Ｄは、光源部５０と、結像光学系５１と、第１実施形態と同様の撮像素子５とを備える。また、測定装置１Ｄは、形状情報取得部４７及びピーク位置検出部４９を含む制御装置４と、第３実施形態において説明した相対位置検出機構４８とを備える。本実施形態において、測定装置１Ｄは、第１実施形態で説明した反射部材２７を含んでいない。本実施形態の測定装置１Ｄは、共焦点法で測定対象の物体の凹部の内面を測定することができる。
【０１０２】
本実施形態の結像光学系５１は、第１実施形態の結像光学系６に加えて、リレー光学系５２を含む。リレー光学系５２の光軸は、組レンズ１８の光軸２１とほぼ同軸であり、本実施形態において、結像光学系５１の光軸は、組レンズ１８の光軸２１とほぼ同軸である。
【０１０３】
結像光学系５１は、物界からの光を偏向部材２０、組レンズ１８、及び開口絞り１９を介して物界から見た前側焦点に結像することができ、前側焦点での像（中間像）をリレー光学系５２を介して撮像素子５に再度結像することができる。すなわち、結像光学系５１は、物界に撮像素子５との第１の共役面１０を形成し、結像光学系５１の光路内に撮像素子５との第２の共役面を形成する。
【０１０４】
本実施形態の光源部５０は、光源４１と、コンデンサレンズ４２と、ハーフミラー１７と、結像光学系５１が中間像を形成する位置（第２の共役面）に配置された走査円板（絞り部材）５３とを含む。光源４１とコンデンサレンズ４２とハーフミラー１７は、第３実施形態と同様の構成でもよい。
【０１０５】
図１３に示す走査円板５３は、光を通す開口部５４が部分的に設けられた構造である。本実施形態において、走査円板５３の開口部５４は、結像光学系５１の光軸を中心として螺旋状に延びている。走査円板５３は、図示しない駆動部によって、結像光学系５１の光軸のまわりで回転駆動される。
【０１０６】
本実施形態において、光源４１からコンデンサレンズ４２及びハーフミラー１７を介して入射してくる光は、その一部（部分光束）が走査円板５３の開口部５４を通り、走査円板５３にて開口部５４が配置されているパターンに応じた光強度分布を有する光（パターン光）になる。この光は、組レンズ１８、開口絞り１９及び偏向部材２０を介して、測定対象の物体Ｍの穴Ｍａの内面Ｍｂに照射され、内面Ｍｂに走査円板５３の像が投影される。このように、本実施形態において、光源４１とコンデンサレンズ４２とハーフミラー１７は、走査円板５３を照明する照明光学系を構成しており、組レンズ１８と開口絞り１９と偏向部材２０は、走査円板５３の像を投影する投影光学系を構成している。
【０１０７】
本実施形態において、穴Ｍａの内面Ｍｂに照射された光は、内面Ｍｂで反射（散乱）して、その少なくとも一部が偏向部材２０、組レンズ１８、及び開口絞り１９を通って、走査円板５３に入射する。第１の共役面１０と穴Ｍａの内面Ｍｂとが交わる線上で散乱した光は、第１の共役面１０と走査円板５３とが互いに共役な関係であるので、内面Ｍｂへ入射する前に通った開口部５４と同じ位置に結像する。内面Ｍｂへ入射した後に開口部５４にて結像した光は、開口部５４を通ってリレー光学系５２へ入射し、リレー光学系５２を介して撮像素子５に結像する。
【０１０８】
本実施形態において、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置は、例えば撮像素子５によって撮像された画像において輝度（合焦測度）がピークとなる位置を求めることにより、検出することができる。制御装置４のピーク位置検出部４９は、撮像素子５の撮像結果を示す情報に基づいて、輝度がピークとなる位置、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点のうち撮像素子５が共役関係となっている点の位置を算出する。測定装置１Ｄは、光学プローブ３と物体Ｍとの相対位置を示す情報として相対位置検出機構４８から出力される位置情報に基づいて、結像光学系６と物体Ｍとの各相対位置において合焦測度が最大となる撮像面上の点（画素）の位置を、撮像面と共役関係になっている穴Ｍａの内面Ｍｂ上の位置に対応する情報として、形状情報取得部４７によって特定する。このようにすることで、測定装置１Ｄは、穴Ｍａの内面Ｍｂの各点の位置を求めることができる。
【０１０９】
本実施形態の測定装置１Ｄは、実質的な測定の解像度を向上させることができ、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｄは、走査円板５３の開口部５４のパターンが結像光学系６の光軸を中心とする螺旋状であるので、メリジオナル光線の合焦に対して共焦点効果が強く、一方サジタル光線に対しては共焦点効果の弱い。したがって、測定装置１Ｄは、メリジオナル光線の合焦を検出しやすくなり、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。
【０１１０】
なお、測定装置１Ｄは、第２実施形態と同様に、穴の底部に接触させないで穴の底部付近を測定することや、光軸２１に直交する方向における測定範囲を変化させることもできる。走査円板は、通常知られている開口部であるピンホールが規則的に配置された所謂ニポウ（Ｎｉｐｋｏｗ）ディスクを用いてもよい。
【０１１１】
次に、変形例について説明する。図１４は、第１変形例の測定装置の構成を示す図である。図１５は、第１変形例の測定装置の光路を示す図である。図１４及び図１５に示す測定装置１Ｅは、結像光学系６０と、第１実施形態と同様の撮像素子５とを備える。結像光学系６０は、組レンズ６１と、第１実施形態と同様の偏向部材２０とを含む。組レンズ６１は、軸対称な光学系である。組レンズ６１は、像面側（撮像素子５側）がテレセントリック系であり、共役面側が非テレセントリック系である。
【０１１２】
本変形例において、撮像素子５との共役面６２から偏向部材２０へ入射して撮像素子５に結像する光の少なくとも一部の主光線は、共役面６２から偏向部材２０へ非垂直に入射し、偏向部材２０と外部との界面（側面２４）で屈折する。側面２４で屈折した光は、この側面とは組レンズ６１の光軸６３を挟んで反対側の側面２４で反射し、下底面２２から組レンズ６１へ向って出射する。このように、本変形例の偏向部材２０の側面２４は、共役面６２からの光が屈折する屈折部と、共役面６２から屈折部を経由して入射してくる光が反射する内面とを含む。
【０１１３】
本変形例の測定装置１Ｅは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｅは、共役面６２から入射してくる光が偏向部材２０で屈折するので、結像光学系６０の設計の自由度が高くなる。
【０１１４】
図１６は、第２変形例の測定装置の構成を示す図である。図１７は、第２変形例の測定装置の光路を示す図である。図１６及び図１７に示す測定装置１Ｆは、結像光学系６５と、第１実施形態と同様の撮像素子５とを備える。結像光学系６５は、組レンズ６６と、偏向部材６７とを含む。本変形例において、偏向部材６７は、撮像素子５との共役面６８から入射してくる光に対してレンズ効果を発現する。結像光学系６５は、組レンズ６６と偏向部材６７のレンズ効果により、共役面６８から入射してくる光を撮像素子５に結像させる。
【０１１５】
本変形例において、組レンズ６６は、軸対称な光学系であり、像面側（撮像素子５側）がテレセントリック系、共役面側が非テレセントリック系である。偏向部材６７は、組レンズ６６を向く底面６９と、底面６９とは反対側を向く凹面７０と、底面６９の外周と凹面７０の外周とを結ぶ側面７１と、を有する。凹面７０は、組レンズ６６に向うにつれて内径が縮小するテーパ面を含む。側面７１は、組レンズ６６の光軸７２と軸外物点を含む面（メリジオナル面）内で湾曲した湾曲面７３を有する。
【０１１６】
本変形例において、撮像素子５との共役面６８から偏向部材６７へ入射して撮像素子５に結像する光の少なくとも一部の主光線は、撮像素子５との共役面６８から偏向部材６７の湾曲面７３に対して非垂直に入射し、偏向部材６７と外部との界面（湾曲面７３）で屈折する。湾曲面７３で屈折した光は、凹面７０の内面側（偏向部材６７の内部側の面）へ入射し、凹面７０の内面側で反射して底面６９から組レンズ６６へ向って出射した後に、組レンズ６６を通って撮像素子５に結像する。このように、本変形例の偏向部材６７は、共役面６８からの光が屈折する湾曲面７３と、共役面６２から屈折部を経由して入射した光が反射する凹面７０とを有する。
【０１１７】
本変形例の測定装置１Ｆは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｆは、偏向部材６７が撮像素子５との共役面６８から入射してくる光を屈折させるので、結像光学系６５の設計の自由度が高くなる。
【０１１８】
図１８は、第３変形例の測定装置の構成を示す図である。図１９は、第３変形例の測定装置の光路を示す図である。図１８及び図１９に示す測定装置１Ｇは、結像光学系７５と、第１実施形態と同様の撮像素子５とを備える。本変形例の結像光学系７５は、偏向部材７６と、第２変形例と同様の組レンズ６６とを含む。
【０１１９】
本変形例の偏向部材７６は、組レンズ６６の光軸７２に対して軸対称な形状である。偏向部材７６は、円錐状であり、組レンズ６６を向く底面７７と、光軸７２の側方に配置された側面７８とを有する。本変形例において、撮像素子５との共役面７９から偏向部材７６へ入射して撮像素子５に結像する光は、側面７８の内面側で複数回数反射して、底面７７から組レンズ６６へ向って出射する。
【０１２０】
詳しくは、共役面７９から側面７８へ入射した光は、この側面７８で屈折し、この側面７８とは組レンズ６６の光軸７２を挟んで反対側の側面７８へ入射して反射する。側面７８で反射した光は、共役面７９から偏向部材７６への入射側の側面７８へ再度入射し、この側面７８で反射して底面７７から出射する。本変形例において、撮像素子５から結像光学系７５へ向けて仮想的に発せられた仮想光は、偏向部材７６の側面７８を通って共役面７９へ向うときに、側面７８の法線方向に対して偏向部材７６の頂点側、すなわち光学プローブの先端側（測定対象の穴の奥側）に向って屈折する。
【０１２１】
本変形例の測定装置１Ｇは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｇは、穴の奥側から偏向部材７６へ入射する光が側面７８で屈折して撮像素子５で結像するので、穴の底部などを測定することが容易になる。
【０１２２】
図２０は、第４変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す斜視図である。図２１は、第４変形例の光学プローブの外観を示す側面図である。図２０及び図２１に示す測定装置１Ｈは、支持部材８０と、第１実施形態と同様の筐体１３を備える。本変形例の支持部材８０は、複数の支柱部３２と、支柱部３２に対して筐体１３とは反対側に設けられたミラー保持体３３とを含む。
【０１２３】
本変形例において、３つの支柱部３２が筐体１３に取付けられており、３つの支柱部３２は、それぞれ、ミラー保持体３３と固定されている。支柱部３２は、筐体１３との取り付け箇所が３つの支柱部３２で同一線上に並ばないように、配置されている。また、支柱部３２は、ミラー保持体３３との固定箇所が３つの支柱部３２で同一線上に並ばないように、配置されている。本変形例において、３つの支柱部３２は、光軸２１のまわりの周方向に等間隔で配置されている。
【０１２４】
本変形例の測定装置１Ｈは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｈは、Ｚ軸方向に直交する面内の２箇所以上で筐体１３とミラー保持体３３とが支柱部で連結されているので、ミラー保持体３３に保持された反射部材２７と筐体１３との相対位置がθＺ方向でずれにくくなる。また、測定装置１Ｈは、Ｚ軸方向に直交する面内の３箇所以上で筐体１３とミラー保持体３３とが支柱部で連結されているので、Ｚ軸方向に直交する面内の任意の方向、例えばθＸ方向及びθＹ方向で、ミラー保持体３３に保持された反射部材２７と筐体１３との相対位置がθＺ方向でずれにくくなる。なお、支柱部３２の数は、２つでもよいし、４つ以上でもよい。
【０１２５】
図２２は、第５変形例の測定装置の光学プローブの外観を示す斜視図である。図２３は、第５変形例の光学プローブの外観を示す側面図である。図２２及び図２３に示す測定装置１Ｊは、支持部材８１と、第１実施形態と同様の筐体１３を備える。本変形例の支持部材８１は、筐体１３から長手方向に延びる連結部８２と、連結部８２に対して筐体１３とは反対側に設けられたミラー保持体３３とを含む。ミラー保持体３３は、第１実施形態と同様のものを用いてもよい。
【０１２６】
本変形例において、連結部８２の少なくとも一部は、測定対象の物体の凹部の内面から偏向部材２０へ向う光、例えば図４及び５に示した光源部１１から発せられる波長の光に対して、透明な媒質で構成されている。連結部８２は、凹部の内面から偏向部材２０へ入射して撮像素子５で結像する光が共役面１０と偏向部材２０との間を通る光路に配置される部分が上記の透明な媒質で構成されている。連結部８２は、筐体１３の長手方向（Ｚ軸方向）に直交する面内で、図２及び図３に示した偏向部材２０の下底面２２の外周よりも外側に配置された円筒状である。連結部８２は、光軸２１のまわりの全周が上記の透明な媒質で構成されている。連結部８２は、筐体１３の長手方向とほぼ平行に延びている。連結部８２は、長手方向の一端側（−Ｚ側）が筐体１３と接続されており、長手方向の他端側（＋Ｚ側）がミラー保持体３３と接続されている。本変形例において、反射部材２７は、支持部材８１を介して筐体１３に保持されている。
【０１２７】
本変形例の測定装置１Ｊは、上記の実施形態と同様に、凹部の内面の情報に関する測定精度を向上させることができる。また、測定装置１Ｊは、連結部８２が透明な材質で構成されているので、共役面１０から偏向部材２０へ向う光が連結部８２に遮られにくくなる。また、測定装置１Ｊは、連結部８２の光軸２１のまわりの全周が透明な媒質で構成されているので、撮像素子５上に連結部８２の陰がほとんど生じない。したがって、測定装置１Ｊは、穴の内面を光軸２１まわりの周方向の全周にわたって、一括して撮像することができる。
【０１２８】
［第１実施例］
次に、上記の実施形態に係る結像光学系６の一例として、第１実施例について説明する。第１実施例について数値例を示して説明するが、以下の数値例は本発明の適用範囲を限定するものではない。
【０１２９】
図２４は、第１実施例における結像光学系の光路図である。図２５は、第１実施例における結像光学系の各収差図である。図２４において、結像光学系に対する物体側は図中左に、像側は図中右側に図示されている。なお、偏向部材２０の像側の面及び物体側の面は、説明の便宜上、平面で表している。
【０１３０】
結像光学系６は、物体側から像側に向う順に、偏向部材２０、両凸レンズ８５と物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズ８６とを接合した接合レンズ、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ８７、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ８８、両凹レンズ８９、開口絞り１９、両凹レンズ９０、物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ９１、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズ９２、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ９３と両凸レンズ９４を接合した接合レンズから構成される。組レンズ１８は、図２５中の符号８５から９４で示される各レンズを含む。また、図２５中の符号Ｑ１からＱ２１は、それぞれ第１から第２１の光学面を示す。例えば、第１の光学面Ｑ１は、偏向部材２０のうち物体側の面であり、第２の光学面Ｑ２は偏向部材２０のうち像面側の面である。
【０１３１】
第１実施例に係る結像光学系の諸元を下記の［表１］に示す。［表１］において、第１欄のｍは、光学面に対して物体側から像面側へ向って昇順に付した並び順を示す番号を、第２欄のｒは各光学面の曲率半径を、第３欄のｄは各光学面から次の光学面までの光軸上の距離を、第４欄のｎｄはｄ線に対する屈折率を、そして第５欄のνｄはアッベ数をそれぞれ示している。ここで空気の屈折率は、省略している。なお、ｍ＝ｋ（ｋは１以上２１以下の整数）の欄は、ｋ番目の光学面（図２４に示した第ｋの光学面Ｑｋ）に関するデータを示す。例えば、ｍ＝２は、図２４に示した第２の光学面Ｑ２に関するデータを示す。また、第１実施例において、焦点距離ｆが無限大（テレセントリック系）、開口数ＮＡが０．０５、物界の焦点から第１の光学面（ｍ＝１）までの距離ｄ０が２５．２５ｍｍ、倍率βが−１（倒立の等倍）としている。
【０１３２】
【表１】
【０１３３】
第１の光学面（ｍ＝１）に対応する距離ｄは、第１の光学面から第２の光学面（ｍ＝２）までの硝路長を表している。第１実施例において、偏向部材２０は、底面の直径２６［ｍｍ］、半頂角３０［°］をなす円錐の先端部を光軸に垂直に切り落とした円錐台形状をしており、その硝路長は（２６×√３／２）２２．５２ｍｍとなる。第１実施例において、偏向部材２０は、内面における全反射現象を利用して光路を偏向している。偏向部材２０は、屈折率の高い媒質、例えば重フリント系ガラス、重ランタンフリント系ガラス等で形成されていると、全反射条件を満足しやすい。第１実施例において、偏向部材２０は、屈折率１．７５５２０、アッベ数２７．５１の重フリント系ガラスを形成材料として、設計されている。
【０１３４】
図２５に示すように、第１実施例の結像光学系６は、可視光広帯域（Ｃ線〜ｄ線〜Ｆ線）において色収差を補正するように設計されている。なお、第１実施例の結像光学系６は、可視光広帯域の一部の帯域において色収差を補正するように設計されていてもよいし、可視光広帯域において色収差を補正しないように設計されていてもよい。例えば、測定対象面が予め設定される所定の帯域の可視光によって照明される場合に、第１実施例の結像光学系６は、この所定の帯域において色収差を補正するように設計されていてもよい。例えば、光源に単色光源を照明に用いる場合において、結像光学系６の収差補正も光源波長に合わせた単色のみの補正としてもよい。また、例えば、測定対象面が予め設定される所定の帯域の不可視光によって照明される場合に、第１実施例の結像光学系６は、可視光広帯域において色収差を補正しないように設計されていてもよい。
【０１３５】
また、第１実施例の結像光学系６は、非点収差を補正するように、設計されている。第１実施例の結像光学系６は、メリジオナル像面における収差を補正するように設計されている。なお、第１実施例の結像光学系６は、サジタル像面における収差が補正されるように設計されていてもよいし、サジタル像面における収差が補正されるように設計されていてもよい。第１実施例の結像光学系６は、メリジオナル像面の湾曲が補正されており、非点収差が生じるものでもよい。
【０１３６】
［第５実施形態］
次に、上述した測定装置（形状測定装置）を備えた構造物製造システムについて説明する。
【０１３７】
図２６は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態において説明したような形状測定装置１００と、設計装置１１０と、成形装置１２０と、制御装置（検査装置）１３０と、リペア装置１４０とを備える。制御装置１３０は、座標記憶部１３１及び検査部１３２を備える。
【０１３８】
設計装置１１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作成した設計情報を成形装置１２０に送信する。また、設計装置１１０は、作成した設計情報を制御装置１３０の座標記憶部１３１に記憶させる。設計情報は、構造物の各位置の座標を示す情報を含む。
【０１３９】
成形装置１２０は、設計装置１１０から入力された設計情報に基づいて、上記の構造物を作製する。成形装置１２０の成形は、例えば鋳造、鍛造、切削等が含まれる。形状測定装置１００は、作製された構造物（測定対象物）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置１３０へ送信する。
【０１４０】
制御装置１３０の座標記憶部１３１は、設計情報を記憶する。制御装置１３０の検査部１３２は、座標記憶部１３１から設計情報を読み出す。検査部１３２は、形状測定装置１００から受信した座標を示す情報（形状情報）と、座標記憶部１３１から読み出した設計情報とを比較する。検査部１３２は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部１３２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。検査部１３２は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合に、構造物が修復可能であるか否か判定する。検査部１３２は、構造物が修復できる場合、比較結果に基づいて不良部位と修復量を算出し、リペア装置１４０に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。
【０１４１】
リペア装置１４０は、制御装置１３０から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。
【０１４２】
図２７は、構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。構造物製造システム２００は、まず、設計装置１１０が構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ１０１）。次に、成形装置１２０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ１０２）。次に、形状測定装置１００は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ１０３）。次に、制御装置１３０の検査部１３２は、形状測定装置１００で得られた形状情報と上記の設計情報とを比較することにより、構造物が誠設計情報通りに作成されたか否か検査する（ステップＳ１０４）。
【０１４３】
次に、制御装置１３０の検査部１３２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。構造物製造システム２００は、作成された構造物が良品であると検査部１３２が判定した場合（ステップＳ１０５ ＹＥＳ）、その処理を終了する。また、検査部１３２は、作成された構造物が良品でないと判定した場合（ステップＳ１０５ ＮＯ）、作成された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ１０６）。
【０１４４】
構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できると検査部１３２が判定した場合（ステップＳ１０６ ＹＥＳ）、リペア装置１４０が構造物の再加工を実施し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０３の処理に戻る。構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できないと検査部１３２が判定した場合（ステップＳ１０６ Ｎｏ）、その処理を終了する。以上で、構造物製造システム２００は、図２７に示すフローチャートの処理を終了する。
【０１４５】
本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態における形状測定装置１００が構造物の座標を正確に測定することができるので、作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。
【０１４６】
なお、本実施形態におけるリペア装置１４０が実行するリペア工程は、成形装置１２０が成形工程を再実行する工程に置き換えられてもよい。その際には、制御装置１３０の検査部１３２が修復できると判定した場合、成形装置１２０は、成形工程（鍛造、切削等）を再実行する。具体的には、例えば、成形装置１２０は、構造物において本来切削されるべき箇所であって切削されていない箇所を切削する。これにより、構造物製造システム２００は、構造物を正確に作成することができる。
【０１４７】
なお、上記の実施形態によれば、形状測定方法は、形状測定装置１００が実行する形状測定方法であって、測定対象物にスポット光を照射するスポット光照射手順と、測定対象物の表面上でスポット光を相対的に走査する走査手順と、複数の受光画素が２次元的に配列され、スポット光が測定対象物に照射される照射方向と異なる方向からスポット光が測定対象物に照射された場合のスポット光像を検出する２次元受光検出手順と、受光検出部２５（２次元受光検出部）が有する複数の受光画素のうち、スポット光の照射方向に応じて、スポット光像の位置を検出するために用いる受光画素の信号を選択する選択手順と、選択手順で選択された受光画素からの信号に基づいて、測定対象物の位置情報を算出する制御手順とを有することを特徴とする。これにより、複雑な機構や高度な調整作業を必要とせずに、測定対象物の形状を精度良く測定することができる。
【０１４８】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態あるいは変形例に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上記の実施形態あるいは変形例で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、測定対象となるものは、図１に図示された物体Ｍのような穴だけに限られない。上記の実施形態に係る測定装置、形状測定装置、及び形状測定方法は、例えば、溝の内側を測ることや段差の崖部分を測ることも可能である。
【符号の説明】
【０１４９】
１Ａ〜１Ｈ、１Ｊ、１００・・・測定装置（形状測定装置）、２・・・ステージ装置（走査部）、４・・・制御装置（位置情報取得部）５・・・撮像素子、６、５１、６０、６５、７５・・・結像光学系、１０、６２、６８、７９・・・共役面、１３・・・筐体、２０、６７、７６・・・偏向部材、２７・・・反射部材、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子と、
複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を、前記複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角の関係となるように形成する結像光学系と、
測定対象面に対して前記結像光学系の少なくとも一部を移動可能な走査部と、
前記走査部の位置情報及び前記撮像素子の画像情報に基づいて、前記測定対象面の位置情報を取得する位置情報取得部と、を備える
形状測定装置。
【請求項２】
前記複数の光学素子は、前記測定対象面からの光を前記配列方向に導くように該光を偏向する偏向部材を含む
請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記偏向部材は、前記結像光学系の他の光学素子に対して相対的に、前記配列方向に沿って移動可能である
請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記測定対象面に光を照射する照射部を備える
請求項１から３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記照射部は、前記共役面に沿って伝播する光を照射する
請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記照射部は、前記複数の光学素子の少なくとも一部を通って前記配列方向に伝播した光が前記共役面に沿うように反射する反射部材を含む
請求項４又は５に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記照射部は、円弧状のパターンを生成するパターン生成部を有し、前記結像光学系を介して前記円弧状のパターンを前記測定対象面に投影する
請求項４から６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記結像光学系は、前記撮像面及び前記共役面と共役な第２の共役面を形成し、
前記照射部は、前記第２の共役面に配置された絞り部材を介して、前記測定対象面に光を照射する
請求項４から７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記照射部は、前記偏向部材に対して前記結像光学系とは反対側に配置された光源から発せられた光を前記内面へ照射する
請求項４又は５に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記照射部は、円弧状のパターンを投影する
請求項８又は９に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
前記円弧状のパターンは、同心円状の縞パターンである
請求項７又は１０に記載の形状測定装置。
【請求項１２】
前記円弧状のパターンは、渦巻状の縞パターンである
請求項７又は１０に記載の形状測定装置。
【請求項１３】
前記走査部による前記結像光学系の移動方向は、前記配列方向を含む
請求項１から１２のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１４】
前記位置情報取得部は、前記撮像素子から得られる画像データに基づいて、前記撮像面の一部の領域ごとに合焦測度を算出して、前記測定対象面の形状を取得する
請求項１から１３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１５】
前記共役面の少なくとも一部は、前記撮像素子から見て、前記結像光学系のうちで最も前記共役面に近い光学素子よりも遠い位置に形成される
請求項１から１４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１６】
前記結像光学系は、前記共役面側でテレセントリックな光学系である
請求項１から１５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１７】
前記結像光学系のうちで最も前記共役面に近い光学素子は、前記共役面からの光が屈折する屈折部と、前記共役面からの光が反射する内面と、を有する
請求項１から１６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１８】
前記結像光学系は、前記撮像面及び前記共役面と共役な第２の共役面を形成する
請求項１から１７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１９】
前記共役面は、前記配列方向に対する周方向の複数の位置を含む
請求項１から１８のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項２０】
前記共役面は、前記配列方向に対する周方向において対称性を有する
請求項１から１９のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項２１】
測定対象面の位置を測定する測定装置であって、
撮像素子と、
複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を形成する結像光学系と、を備え、
前記共役面は、前記複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角をなしている
測定装置。
【請求項２２】
測定対象面の位置を測定する測定装置であって、
撮像素子と、
複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を形成する結像光学系と、
前記複数の光学素子の少なくとも一部を収容し、前記複数の光学素子の配列方向に長手方向を有する鏡筒と、を備え、
前記共役面は、前記鏡筒の長手方向に対して鋭角又は鈍角をなしている
測定装置。
【請求項２３】
測定対象面の位置を測定する測定装置であって、
前記測定対象面を含む物体を保持する保持部と、
撮像素子と、
前記保持部に対して相対的に進退可能に設けられ、複数の光学素子を含み前記測定対象面を経由した光を前記撮像素子に結像させ、前記撮像素子との共役面を前記保持部に対する進退方向に対して傾斜するように形成する結像光学系と、を備える
測定装置。
【請求項２４】
前記共役面は、前記複数の光学素子の配列方向に対する周方向において対称性を有する
請求項２１から２３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項２５】
凹状の測定対象面の形状を測定する形状測定方法であって、
測定対象面の少なくとも一部の像を、結像光学系を介して撮像することと、
前記撮像の結果に基づいて、前記測定対象面の位置情報を算出することと、を含み、
前記結像光学系の像面と共役な共役面が前記測定対象面に対して鋭角又は鈍角をなしている
形状測定方法。
【請求項２６】
構造物の形状に関する設計情報を作製することと、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製することと、
作製された前記構造物の形状を請求項２２に記載の形状測定方法を用いて測定することと、
前記測定により得られた形状情報と前記設計情報とを比較することと、を含む
構造物の製造方法。
【請求項２７】
前記比較の結果に基づいて、前記構造物の再加工を実施することを含む
請求項２６に記載の構造物の製造方法。
【請求項２８】
前記再加工は、前記構造物を作製することを再実行することを含む
請求項２７に記載の構造物の製造方法。
【請求項１】
撮像素子と、
複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を、前記複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角の関係となるように形成する結像光学系と、
測定対象面に対して前記結像光学系の少なくとも一部を移動可能な走査部と、
前記走査部の位置情報及び前記撮像素子の画像情報に基づいて、前記測定対象面の位置情報を取得する位置情報取得部と、を備える
形状測定装置。
【請求項２】
前記複数の光学素子は、前記測定対象面からの光を前記配列方向に導くように該光を偏向する偏向部材を含む
請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記偏向部材は、前記結像光学系の他の光学素子に対して相対的に、前記配列方向に沿って移動可能である
請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記測定対象面に光を照射する照射部を備える
請求項１から３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記照射部は、前記共役面に沿って伝播する光を照射する
請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記照射部は、前記複数の光学素子の少なくとも一部を通って前記配列方向に伝播した光が前記共役面に沿うように反射する反射部材を含む
請求項４又は５に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記照射部は、円弧状のパターンを生成するパターン生成部を有し、前記結像光学系を介して前記円弧状のパターンを前記測定対象面に投影する
請求項４から６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記結像光学系は、前記撮像面及び前記共役面と共役な第２の共役面を形成し、
前記照射部は、前記第２の共役面に配置された絞り部材を介して、前記測定対象面に光を照射する
請求項４から７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記照射部は、前記偏向部材に対して前記結像光学系とは反対側に配置された光源から発せられた光を前記内面へ照射する
請求項４又は５に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記照射部は、円弧状のパターンを投影する
請求項８又は９に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
前記円弧状のパターンは、同心円状の縞パターンである
請求項７又は１０に記載の形状測定装置。
【請求項１２】
前記円弧状のパターンは、渦巻状の縞パターンである
請求項７又は１０に記載の形状測定装置。
【請求項１３】
前記走査部による前記結像光学系の移動方向は、前記配列方向を含む
請求項１から１２のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１４】
前記位置情報取得部は、前記撮像素子から得られる画像データに基づいて、前記撮像面の一部の領域ごとに合焦測度を算出して、前記測定対象面の形状を取得する
請求項１から１３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１５】
前記共役面の少なくとも一部は、前記撮像素子から見て、前記結像光学系のうちで最も前記共役面に近い光学素子よりも遠い位置に形成される
請求項１から１４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１６】
前記結像光学系は、前記共役面側でテレセントリックな光学系である
請求項１から１５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１７】
前記結像光学系のうちで最も前記共役面に近い光学素子は、前記共役面からの光が屈折する屈折部と、前記共役面からの光が反射する内面と、を有する
請求項１から１６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１８】
前記結像光学系は、前記撮像面及び前記共役面と共役な第２の共役面を形成する
請求項１から１７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１９】
前記共役面は、前記配列方向に対する周方向の複数の位置を含む
請求項１から１８のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項２０】
前記共役面は、前記配列方向に対する周方向において対称性を有する
請求項１から１９のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項２１】
測定対象面の位置を測定する測定装置であって、
撮像素子と、
複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を形成する結像光学系と、を備え、
前記共役面は、前記複数の光学素子の配列方向に対して鋭角または鈍角をなしている
測定装置。
【請求項２２】
測定対象面の位置を測定する測定装置であって、
撮像素子と、
複数の光学素子を含み、前記撮像素子と共役な共役面を形成する結像光学系と、
前記複数の光学素子の少なくとも一部を収容し、前記複数の光学素子の配列方向に長手方向を有する鏡筒と、を備え、
前記共役面は、前記鏡筒の長手方向に対して鋭角又は鈍角をなしている
測定装置。
【請求項２３】
測定対象面の位置を測定する測定装置であって、
前記測定対象面を含む物体を保持する保持部と、
撮像素子と、
前記保持部に対して相対的に進退可能に設けられ、複数の光学素子を含み前記測定対象面を経由した光を前記撮像素子に結像させ、前記撮像素子との共役面を前記保持部に対する進退方向に対して傾斜するように形成する結像光学系と、を備える
測定装置。
【請求項２４】
前記共役面は、前記複数の光学素子の配列方向に対する周方向において対称性を有する
請求項２１から２３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項２５】
凹状の測定対象面の形状を測定する形状測定方法であって、
測定対象面の少なくとも一部の像を、結像光学系を介して撮像することと、
前記撮像の結果に基づいて、前記測定対象面の位置情報を算出することと、を含み、
前記結像光学系の像面と共役な共役面が前記測定対象面に対して鋭角又は鈍角をなしている
形状測定方法。
【請求項２６】
構造物の形状に関する設計情報を作製することと、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製することと、
作製された前記構造物の形状を請求項２２に記載の形状測定方法を用いて測定することと、
前記測定により得られた形状情報と前記設計情報とを比較することと、を含む
構造物の製造方法。
【請求項２７】
前記比較の結果に基づいて、前記構造物の再加工を実施することを含む
請求項２６に記載の構造物の製造方法。
【請求項２８】
前記再加工は、前記構造物を作製することを再実行することを含む
請求項２７に記載の構造物の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１３−７６４５（Ｐ２０１３−７６４５Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４０３５７（Ｐ２０１１−１４０３５７）
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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